DE102007031742A1

DE102007031742A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Geräuschprüfung von Radiallagern

Info

Publication number: DE102007031742A1
Application number: DE200710031742
Authority: DE
Inventors: Rainer Plötz
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2007-07-06
Filing date: 2007-07-06
Publication date: 2009-01-08
Anticipated expiration: 2027-07-07
Also published as: DE102007031742B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Geräuschprüfung eines Radiallagers (24) mit einem Innenring und einem Außenring. Die Vorrichtung umfasst eine Prüfteilaufnahme (16), in welche der Innenring oder der Außenring des Radiallagers (24) fest einspannbar ist; eine Antriebseinheit (01) zur Beschleunigung des nicht eingespannten Lagerrings; ein Laservibrometer (09), dessen Laserstrahl auf den Innenring oder den Außenring des Radiallagers (24) gerichtet ist zur Erfassung der Schwingungen am Radiallager; sowie eine Auswerteeinheit, welche in Abhängigkeit der erfassten Schwingungen ein Qualitäts-Signal ausgibt, um das Radiallager zu kategorisieren. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Geräuschprüfung eines Radiallagers mittels Laservibrometrie.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Geräuschprüfung von Radiallagern, insbesondere von Wälzlagern.
Radiallager werden häufig in flexiblen Montagesystemen voll- oder teilautomatisch montiert. Eine Qualitätskontrolle erfolgt meist anschließend anhand einer Geräuschprüfung. Die Geräusche von abrollenden Lagern werden dazu aufgezeichnet und ausgewertet. Das Spektrum des Geräusches beschreibt dabei, welche Frequenzanteile im Geräusch enthalten sind. Bei Lagerschäden treten typische Frequenzanteile auf, welche den jeweiligen Schaden klassifizieren. Typische Lagerschäden sind beispielsweise schwellender Lauf aufgrund unrunder Außen-, bzw. Innenringe, schwergängiger Lauf aufgrund von Bauteilfehlern oder Montagefehlern, "Hacker" aufgrund von verunreinigtem Fett, Spänen und Abdrücken in der Wälzkörperlaufbahn und schlechtes Laufverhalten aufgrund gerissener Außen- bzw. Innenringe.
Bekannte Geräuschprüfautomaten erfassen den Körperschall des laufenden Lagers mit entsprechenden Sensoren. Zur Prüfung wird einer der beiden Lagerringe, meist der Innenring, durch eine Spindel angetrieben und der andere Lagerring radial oder auch axial belastet. Dabei wird das Lagergeräusch mit einem Körperschallmikrophon aufgenommen, und meist auch das Reibmoment gemessen, verstärkt und zur Anzeige gebracht. Es ist immer eine Berührung des Messaufnehmers mit dem Prüfobjekt erforderlich. Dieses Signal wird meist von einem Bediener ausgewertet, welcher die Prüfung der Lager vornimmt und subjektiv eine Bewertung des Signals vornimmt. Eine automatisierte Auswertung ist ebenso möglich.
Moderne Montagesysteme für Wälzlager haben einen Ausstoß von sechzig bis achtzig Teilen pro Minute, teilweise können sogar einhundert Teile pro Minute produziert werden. In einer solch hohen Taktfrequenz ist die Prüfung der produzierten Wälzlager mit den bekannten Geräuschprüfautomaten mit Berührungsmessung bisher nicht möglich. Mit diesen können zur Zeit ca. 17 bis 20 Teile pro Minute geprüft werden. Dabei werden meist nacheinander eine Reibmoment-Messung und eine Geräuschmessung durchgeführt. Ein mehrspuriger Aufbau einer solchen Anlage zur Erhöhung des Prüfdurchsatzes ist sehr kostenintensiv und benötigt viel Platz. Bei hohen Qualitätsanforderungen genügt eine Stichprobenprüfung der produzierte Lager allerdings nicht, so dass die Qualitätskontrolle zum Engpass im Produktionsablauf werden kann.
Seit einigen Jahren hat sich der Einsatz von Laser-Vibrometern zur Schwingungsmessung in der Produktion und auch zur Qualitätskontrolle bewährt. Ebenso ist deren Einsatz bei der Überwachung der Betriebszustände von Lagern bekannt.
Das Verfahren der Laservibrometrie ist prinzipiell bekannt: Ein fokussierter Laserstrahl wird auf ein Prüfobjekt gerichtet und von dort reflektiert. Der reflektierte Strahl ändert seine Schwingungseigenschaften entsprechend den Schwingungen des Prüfobjektes. Es erfolgt eine Überlagerung des ausgesendeten Strahls (Referenzstrahl) mit dem reflektierten Stahl, wodurch die Schwingung des Prüfobjektes ermittelt wird. Anhand bestimmter Schwingungseigenschaften kann mit einer geeigneten Auswertesoftware auf bestimmte Fehler im Prüfobjekt geschlossen werden.
Aus der DE 195 48 158 A1 ist ein Laser-Doppler-Vibrometer zur Messung von Oberflächenschwingungen eines Messobjektes bekannt, der bei beengten Raum- und Platzverhältnissen eine Mehrfachanordnung von Messköpfen aus verschiedenen räumlichen Richtungen zur Beobachtung des Objektes erlaubt. Damit können komplizierte dreidimensionale Schwingungsdaten komplexer Strukturen ermittelt werden.
Die DE 28 28 311 betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung der Laufruhe eines Lagers einer Brennkraftmaschine während des Betriebes. Die Vorrichtung umfasst einen berührungsfreien optischen Messwertgeber zur Messung der Drehzahl und des Schwingungsverhaltens des Rotors und eine nachgeschaltete Auswerteelektronik.
Aus der DE 198 28 498 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von Unwuchten rotierender Körper bekannt. Mit mindestens zwei Laser-Vibrometern wird gleichzeitig an zwei verschiedenen Stellen beispielsweise einer rotierenden Welle gemessen, wobei die Teilstrahlen der Laser-Vibrometer möglichst orthogonal zur Rotationsachse in einer Ebene ausgerichtet sind. Ein weiterer Sensor wird verwendet, um die Messsignale der Laser-Vibrometer der jeweiligen Lage des Rotors, als Funktion der Zeit und demzufolge auch den Schwingungssignalen zeitlich zuzuordnen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur berührungslosen Qualitätsprüfung von Radiallagern zu schaffen, welche entsprechend des Produktionstaktes eines Montageautomaten 60 bis 80 oder auch bis zu 100 Teile pro Minute vollautomatisch auf bekannte Fehler prüft. Fehlerhafte Teile sollen dabei gekennzeichnet bzw. aussortiert werden.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, dass eine vollautomatische und besonders sichere Prüfung aller, die Montagestrecke oder bestimmte Abschnitte davon verlassenden Lager innerhalb der Taktzeit der Montagestrecke möglich ist. Die Vorrichtung ist besonders klein und leicht, so dass sie einfach in bestehende Montagesysteme integrierbar ist. Durch die berüh rungslose Messung kann eine hohe Taktzeit erreicht werden, außerdem verbessert sich die Fehlererkennung durch das erfindungsgemäße Verfahren enorm.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch in Zwischenstufen der Produktionskette verwendet werden, wobei Einzelteile geräuschgeprüft werden können, bevor weitere Montageschritte erfolgen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Prüfteilaufnahme, in der ein Lagerring, vorzugsweise der Lageraußenring eines zu prüfenden Rotationslagers fest einspannbar ist. Die Vorrichtung umfasst weiterhin einen Antrieb zur Beschleunigung des anderen Lagerringes auf eine Betriebsdrehzahl, vorzugsweise des Innenringes, mit einem Antriebsdorn. Ein Laservibrometer ist derart in der Vorrichtung angeordnet, dass der Laserstrahl auf ein Lagerteil, vorzugsweise auf den feststehenden Außenring gerichtet ist und eine Schwingungsmessung ausführen kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Prüfung eines Radiallagers dieses im Produktionstakt eines Montageautomaten in die Prüfteilaufnahme gefördert und der Lageraußenring fest eingespannt. Anschließend wird der Lagerinnenring durch den Antrieb bis zu einer bestimmten Drehzahl, der Betriebsdrehzahl, beschleunigt und diese Drehzahl dann konstant gehalten. Nach einer kurzen Beruhigungszeit wird der feststehende Lageraußenring ca. 100 ms lang mit dem Laser-Vibrometer abgetastet und die Schwingungen werden aufgezeichnet.
Zur Verkürzung der Prüfzeit erfolgt vorzugsweise während des Abbremsens des Lagerinnenringes durch eine geeignete Hard- und Software einer Auswerteeinheit eine Auswertung der vom Laser-Vibrometer aufgenommenen Schwingungen und die Auswerteeinheit gibt ein Qualitätssignal "GUT" oder "AUSSCHUSS" aus, welches vorzugsweise an einer nachfolgend vorgesehene Aussortierstation ausgewertet wird. In der Auswerteeinheit kann weiterhin eine Klassifikation der Lagerfehler erfolgen, um bei "AUSSCHUSS" einen Rück schluss auf die Fehlerursache zu ermöglichen und diese beispielsweise im Montageprozess zu beseitigen.
Die Prüfteilaufnahme und das Laser-Vibrometer sind gegenüber der restlichen Anlage schwingungsentkoppelt gelagert, wodurch eine hohe Genauigkeit der Messungen mit einem sicheren Qualitätssignal mit hohem Rauschabstand resultiert.
Es ist ebenso denkbar, den Lagerinnenring festzuhalten und den Lageraußenring zu beschleunigen, dann müsste ein sogenanntes Rotations-Laser-Vibrometer verwendet werden, welches zwei parallele Laserstrahlen auf die rotierende Oberfläche lenkt und eine entsprechende Auswertung durchführt, oder das zuvor beschriebene Laser-Vibrometer wird auf den feststehenden Innenring gerichtet, was konstruktiv allerdings aufwendiger ist.
Die Verwendung eines Laser-Vibrometers kommt generell auch zur Geräuschmessung an anderen bewegten, insbesondere rotierenden Funktionseinheiten in Betracht. Für die Auswertung der Messsignale ist aber von Bedeutung, dass die Zusammenhänge zwischen den Geräuschemissionen und den diesen zugrundeliegenden Fehlerquellen bekannt sind, wie dies bei Radiallagern der Fall ist. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigen:
1: eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Geräuschprüfung von Radiallagern in einer räumlichen Ansicht;
2: eine Prüfteilaufnahme der Vorrichtung in einer räumlichen Ansicht;
3: die Vorrichtung gemäß 1 in Schnittdarstellungen einer Seiten- und einer Voransicht.
In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Geräuschprüfung von Radiallagern in einer räumlichen Darstellung ohne ein zu prüfendes Radiallager gezeigt. Die Vorrichtung umfasst eine Antriebseinheit 01 mit einer hydrodynamischen Spindel 02, welche über eine elastische Kupplung 03 an einen Servomotor 04 als Antrieb gekoppelt ist. Die Antriebseinheit 01 umfasst weiterhin eine Kegelaufnahme 05 zur Aufnahme einer Abtriebswelle (nicht dargestellt). Die Antriebseinheit 01 ist mit einer höhenverstellbaren Lineareinheit 06 an einer Traverse 07 befestigt. Die Traverse 07 ist an einer schwingungsentkoppelten Trägerplatte 08 angebracht.
Ein Laser-Vibrometer 09 ist wiederum schwingungsentkoppelt an der Trägerplatte 08 befestigt, wobei der Laserstrahl des Laser-Vibrometers 09 in Richtung einer ebenfalls auf der Trägerplatte 08 montierten Werkzeughalterung 10 weist, in welche eine nicht dargestellte Prüfteilaufnahme in eine Öffnung 11 einsetzbar ist.
Zur Feineinstellung der Richtung des Laserstrahls und des Abstandes des Laser-Vibrometers 09 zum Prüfobjekt ist eine Feinjustiervorrichtung 12 vorgesehen.
Unterhalb der Trägerplatte 08 ist eine Hochstoßereinheit 13 angeordnet, um ein aus dem Montageprozess kommendes Prüfteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung zuzuführen. Ein Hochstoßerwerkzeug 14 ist derart in der Hochstoßereinheit 13 angebracht, dass es durch eine Öffnung in der Trägerplatte 08 hindurch ein zwischen Trägerplatte 08 und Werkzeughalterung 10 hindurch geführtes Prüfteil in die Prüfteilaufnahme (nicht dargestellt) transportieren kann, wonach es dort festgespannt wird.
2 zeigt eine Prüfteilaufnahme 16 in einer räumlichen Ansicht. Für verschiedene Lagertypen und -größen sind verschiedene Prüfteilaufnahmen vorgesehen, welche jeweils in die Trägerplatte 08 (siehe 1) eingesetzt werden. Das Auswechseln der Prüfteilaufnahme 16 ist sehr schnell und einfach durchzuführen, so dass eine Umrüstung auf einen anderen zu prüfenden Lagertyp problemlos möglich ist.
Die Prüfteilaufnahme 16 umfasst als Antriebswelle (bzw. Abtriebswelle der Antriebseinheit 01) einen Kegeldorn 17. Eine Niederhalterglocke 18 ist federnd in einem Gehäuseteil 19 der Prüfteilaufnahme 16 gelagert. Eine Aushebeglocke 21 ist unterhalb der Niederhalterglocke 18 angeordnet. Diese sorgt in Verbindung mit dem Hochstoßerwerkzeug 14 (1) für eine Zuführung des Prüfteils aus einem nicht dargestellten Transportband in die Prüfteilaufnahme 16. Das Transportband wird vorzugsweise in einer Auflage 22 geführt.
In 3 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung jeweils als Schnittdarstellung in einer Vorderansicht (Abb. a) und einer Seitenansicht (Abb. b) dargestellt.
In die Öffnung 11 der Werkzeughalterung 10 ist die Prüfteilaufnahme 16 eingesetzt und dort befestigt. Die Aushebeglocke 21 ist an dem Hochstoßerwerkzeug 14 befestigt. Bei Betätigung des Hochstoßerwerkzeuges wird ein in einem Transportband 23 zugeführtes Rotationslager 24 in die Prüfteilaufnahme 16 transportiert (wie dargestellt).
Ein in der Prüfteilaufnahme 16 angeordnetes Zentrierstück 26 greift am Lagerinnenring an und sorgt für den korrekten Sitz des Lagers 24 in der Prüfteilaufnahme. Ein am Zentrierstück 26 angeordneter Mitnehmer 27 ist mit dem Kegeldorn 17 antriebswirksam verbunden. Der Lageraußenring wird gegen die Niederhalterglocke 18 gedrückt und durch diese festgespannt. Anschließend wird die hydrodynamische Spindel 02 auf die Prüfteilaufnahme 16 abgesenkt. wobei der Kegeldorn 17 in die Kegelaufnahme 05 eingreift. Bei Betätigung der Kupplung 03 wird der Kegeldorn und damit der Lagerinnenring des Rotationslagers 24 angetrieben.
Der Laserstrahl des Laservibrometers 09 ist vorzugsweise über ein Lichtleiterkabel 28 durch eine seitliche Öffnung in der Aushebeglocke 21 auf den Lageraußenring gerichtet.
Nach der Beschleunigung des Innenringes des Rotationslagers 24 auf die Betriebsdrehzahl wird eine kurze Beruhigungszeit abgewartet, bevor die Schwingungsaufzeichnung mit dem Laservibrometer 09 gestartet wird. Die Schwingungen werden ca. einhundert Millisekunden lang aufgezeichtnet. Während dieser Zeit vollführt der Lagerinnenring bei der gewählten Betriebsdrehzahl etwa sechs bis sieben Umdrehungen.
Während der Lagerinnenring abgebremst und das Hochstoßerwerkzeug 14 wieder abgesenkt wird, um das Rotationslager 24 wieder dem Transportband 23 zuzuführen, wertet eine entsprechende Auswertungssoftware in einer nicht dargestellten Auswerteeinheit die aufgezeichneten Schwingungen aus und gibt ein Qualitäts- bzw. Fehlersignal, z. B. in Form von "GUT" oder "AUSSCHUSS" aus. Das Qualitätssignal wird vorzugsweise an einer nachgeordneten Sortierstation ausgewertet, um die geprüften Lager zu kategorisieren, im einfachsten Fall durch Aussonderung der fehlerbehafteten Lager.
Eine Schwingungsentkopplung vom Montagesystem ist aufgrund der besonders leichten und kompakten Vorrichtung relativ einfach zu erreichen. Zur Schwingungsentkopplung der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung von dem Montageautomaten und der Zuführeinrichtung sind Entkopplungselemente 29 vorgesehen. Die Schwingungsentkopplung ist für eine zuverlässige Prüfung der Lager im bzw. direkt anschließend an den Montageprozess unerlässlich.

01: Antriebseinheit
02: hydrodynamische Spindel
03: Kupplung
04: Servomotor
05
06: Lineareinheit
07: Traverse
08: Trägerplatte
09: Laservibrometer
10: Werkzeughalterung
11: Öffnung
12: Feinjustiervorrichtung
13: Hochstoßereinheit
14: Hochstoßerwerkzeug
15
16: Prüfteilaufnahme
17: Kegeldorn
18: Niederhalterglocke
19: Gehäuseteil
20
21: Aushebeglocke
22: Auflage
23: Transportband
24: Lager
25
26: Zentrierstück
27: Mitnehmer
28: Lichtleiterkabel
29: Entkopplungselement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19548158 A1 [0007]
- DE 2828311 [0008]
- DE 19828498 A1 [0009]

Claims

Vorrichtung zur Geräuschprüfung eines Prüflings (24) mit zwei zueinander beweglichen Funktionseinheiten, umfassend: – eine Prüfteilaufnahme (16), in welche eine der Funktionseinheiten des Prüflings (24) fest einspannbar ist; – eine Antriebseinheit (01) zur Beschleunigung des nicht eingespannten Funktionseinheit des Prüflings; – ein Laservibrometer (09), dessen Laserstrahl auf eine der Funktionseinheiten des Prüflings (24) gerichtet ist, zur Erfassung der Schwingungen am Prüfling; – eine Auswerteeinheit, welche in Abhängigkeit der erfassten Schwingungen ein Qualitäts-Signal ausgibt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Geräuschprüfung eines Radiallagers (24) mit einem Innenring und einem Außenring, umfassend: – die Prüfteilaufnahme (16), in welche der Innenring oder der Außenring des Radiallagers (24) fest einspannbar ist; – die Antriebseinheit (01) zur Beschleunigung des nicht eingespannten Lagerrings; – das Laservibrometer (09), dessen Laserstrahl auf den Innenring oder den Außenring des Radiallagers (24) gerichtet ist, zur Erfassung der Schwingungen am Radiallager; – die Auswerteeinheit, welche in Abhängigkeit der erfassten Schwingungen ein Qualitäts-Signal ausgibt, um das Radiallager zu kategorisieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (01) einen Servomotor (04), eine hydrodynamische Spindel (02) und eine dazwischengeschaltete Kupplung (03) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Zuführeinrichtung (13) zur automatischen Zuführung des Prüflings (24) in die Prüfteilaufnahme (16) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfteilaufnahme (16) und das Laservibrometer (09) schwingungsentkoppelt auf einer Trägerplatte (08) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfteilaufnahme (16) eine Niederhalteglocke (18) umfasst, mit der der Außenring des Radiallagers (24) in der Vorrichtung fest eingespannt ist und der Innenring über einen Mitnehmer (27) mit einem drehbar in der Prüfteilaufnahme (16) gelagerten Kegeldorn (17) und der Antriebseinehit (01) verbunden ist, wobei der Laserstrahl des Laservibrometers (09) auf den fest eingespannten Außenring des Radialllagers (24) gerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Prüffrequenz von 60/min bis 100/min entsprechend der Produktionsfrequnez eines angeschlossenen flexiblen Montagesystems einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie an eine Sortierstation gekoppelt ist, welche in Abhängigkeit vom Qualitäts-Signal der Auswerteeinheit diejenigen Prüflinge aussortiert, bei denen die bewegungsbedingte Geräuschentwicklung einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
Verfahren zur Geräuschprüfung eines Radiallagers (24) mit einem Innenring und einem Außenring, folgende Schritte umfassend: – Einspannen des Innenringes oder des Außenringes; – Beschleunigen des nicht eingespannten Lagerringes auf eine Betriebsdrehzahl; – Erfassung und Aufzeichnung der Schwingungen am Radiallager (24) mittels Laservibrometrie; – Auswertung der Schwingungen und Ausgabe eines Qualitätssignals.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring eingespannt wird und der Innenring beschleunigt wird, wobei die Laservibrometie am eingespannten Außenring erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufzeichnung der Schwingungen über etwa 100 ms erfolgt, wobei die Betriebsdrehzahl so gewählt ist, dass der Innenring in dieser Zeit sechs bis sieben Umdrehungen vollführt.