DE102008034484A1

DE102008034484A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen von Vorspannungen in Schräglageranordnungen

Info

Publication number: DE102008034484A1
Application number: DE200810034484
Authority: DE
Inventors: Guido Bamfaste; Stefan Buchner; Rene Grünke; Georg Von Petery
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2008-07-24
Filing date: 2008-07-24
Publication date: 2010-01-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen von Vorspannungen in axial vorgespannten Schräglageranordnungen (1), wobei die Schräglageranordnung (1) aus einer Welle (2) und wenigstens zwei gegeneinander angestellten und verspannten und dabei die Welle (2) in Gehäuseabschnitten (4) drehbar lagernden Schräglagern (5, 6) gebildet ist und wobei zumindest aus den Vorspannungen resultierende Änderungen von Eigenschaften der Schräglageranordnung (1) ermittelt werden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen von Vorspannungen in axial vorgespannten Schräglageranordnungen, wobei die Schräglageranordnung aus einer Welle und wenigstens zwei gegeneinander angestellten und verspannten und dabei die Welle in Gehäuseabschnitten drehbar lagernden Schräglagern gebildet ist und wobei zumindest aus den Vorspannungen resultierenden Änderungen von Eigenschaften der Schräglageranordnung ermittelt werden.
Hintergrund der Erfindung
Üblicherweise werden Lagereinbauten mit Schräglagern gegeneinander vorgespannt um axiale Verschiebungen der mit diesen Lagern gelagerten Wellen zu vermeiden. Diese Vorspannung kann nicht willkürlich sein und ist von vielen Einflussfaktoren abhängig. Einmal ermittelte für die jeweilige Lagerung optimale Vorspannungen sind insbesondere in der Serienproduktion dauerhaft schlecht reproduzierbar oder nicht direkt meßbar, da keine geeigneten zuverlässigen Messverfahren verfügbar sind. Die Einstellung wird anhand von Faustwerten, anhand der Messungen von Reibmomenten sowie anhand der Messung des Anstellwegs vorgenommen.
DE 936 965B beschreibt eine Methode, mit der zwischen einen Lagerring zum Wellen- oder zum Gehäusesitz hin mit hohem Druck Öl eingepresst wird, so dass die metallische Berührung am Lagersitz aufgehoben ist. Gleichzeitig wird die Lageranordnung mit einer Kraft belastet, die im wesentlichen der gewünschten Vorbelastung entspricht. Eine derartige Anordnung ist schon aufgrund der Kompliziertheit der Druckölvorrichtung nicht in jedem Falle realisierbar und teuer.
Von besonderem Interesse sind Ritzelwellenlagerungen von beispielsweise Hinterachsgetrieben an Fahrzeugen. Die Ritzelwellenlagerungen umfassen eine Ritzelwelle, die mittels einer zumeist in O-Anordnung angestellten Schräglageranordnung gegenüber einem Getriebegehäuse drehbar gelagert ist. Die Ritzelwelle weist an einem Ende ein Ritzel und am anderen Ende einen Anschlussflansch auf. In der Regel ist die Schräglageranordnung zwischen dem Anschlussflansch und dem Ritzel angeordnet und axial vorgespannt.
Die Schräglageranordnung umfasst ein ritzelkopfseitiges Schräglager und ein flanschseitiges Schräglager. Klassische Schräglager weisen einen Innenring mit Laufbahn und einen Außenring mit Laufbahn sowie dazwischen angeordnete Wälzkörper auf. Je nach Ausführung des Schräglagers sind die Wälzkörper Rollen, in der Regel Kegelrollen, oder Kugeln. Es gibt auch Lager, bei denen die Innenlaufbahnen direkt auf der Ritzelwelle abgebildet sind. Weiterhin gibt es auch Schräglageranordnungen, die nur einen gemeinsamen Innen- oder Außenring für die Laufbahnen beider Schräglager aufweisen (zweireihige oder mehrreihige Schräglager). Alle diese Lageranordnungen müssen axial vorgespannt werden.
Die Vorspannung wird in der Regel mit einer Mutter vorgenommen, die auf einen Gewindeabschnitt der Ritzelwelle aufgeschraubt ist. Beim Verspannen der Lageranordnung wird gewöhnlich der Anschlussflansch durch Anziehen der Mutter axial gegen den flanschseitigen Lagerringe gespannt. Dieser Lagerring ist axial beweglich. Die axiale Beweglichkeit des Lagerrings ist durch eine teilelastischen oder starre Distanzhülse begrenzt, die einen Welleabsatz ersetzt. Die Distanzhülse ist zwischen dem axial beweglichen Lagerring und dem ritzelkopfseitiges Lagerring angeordnet.
In DE 100 04 419 B4 ist eine Messvorrichtung zur Ermittlung des Anstellwegs einer Kegelrollenlagerung für Bauteile eines Hinterachsgetriebes beschrieben. Voraussetzung für eine Verwendung der Vorrichtung ist zunächst eine Lageranordnung ohne Ritzelwelle, d. h. die Messvorrichtung ist entweder für die empirische Ermittlung des Anstellwegs vorgesehen oder das Messen mit dieser Vorrichtung ist als ein Montageschritt in die Montage der Ritzelwellenlagerung in der Serienfertigung integriert. Somit ist die Vorrichtung und das damit beschriebene Verfahren für die Anwendung an fertig montierten Ritzelwellenlagerungen nicht geeignet. Mit dieser Vorrichtung wird die axiale Vorspannung auf die Lageranordnung mittels der Axialkraft eines Stempels auf den Lagerring erzeugt. Bewertungskriterien für die richtige Lagervorspannung sind axiale Verlagerung und radiale Aufweitung der Lagerringe, die mit entsprechenden Sensoren an den Lagerringen erfasst wird. Die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Fehlern ist relativ hoch, da mehrere Bauteile die Ergebnisse beeinflussen.
Mit den zuvor beschriebenen Verfahren werden demnach die aus Vorspannungen resultierenden Änderungen der Eigenschaften der Schräglageranordnung gemessen und mit den Sollwerten der Eigenschaften einer nicht vorgespannten Schräglageranordnung oder eines anderen Ausgangszustands der Schräglageranordnung verglichen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Vorspannung in Schräglageranordnungen zu schaffen, die sich einfach und kostengünstig anwenden lassen.
Diese Aufgabe ist mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist für alle Wälzlageranordnungen mit angestellten und gegeneinander vorgespannten Schräglagern, insbesondere für Wälzlageranordnungen wie Ritzelwellenlager oder andere Getriebeanwendungen und Radlagerungen von Fahrzeugen vorgesehen.
Die Erfindung sieht vor, dass die aus den Vorspannungen resultierenden Längenänderungen der Welle unmittelbar an der Welle in der fertig montierten Lageranordnung ermittelt und mit Referenzwerten verglichen werden. Eine derartige Anordnung spart Zeit. Einflüsse aus dem Verhalten anderer Bauteile unter Vorspannung und damit zusätzliche die Messergebnisse beeinflussenden Fehlerquellen sind somit weitestgehend ausgeschlossen. Die Vorrichtung lässt sich einfach anbringen. Die Messung kann im Stand der Schräglageranordnung stattfinden. Ein Drehen der Ritzelwelle ist nicht nötig.
Die Messungen können zunächst von einem Ausgangszustand oder von mehreren Ausgangszuständen ausgehend erfolgen oder anhand der Ergebnisse zu den Messungen im Ausgangszustand bewertet werden. Ausgangszustände sind Zustände, in der die Schräglager nicht gegeneinander vorgespannt sind, oder sind mit definierten Kräften vorbelastete Zustände. Ausgangszustände können auch Zustände sein, in denen die Schräglager betriebsfertig vorgespannt sind. Dies gilt beispielsweise dann, wenn die Messungen dem Zweck dienen, die Längenänderungen an der Welle und damit die Änderungen der Vorspannungen in bestimmten Betriebszuständen der Schräglageranordnung zu erfassen und beispielsweise mit dem betriebsfertig vorgespannten Ausgangszustand zu vergleichen.
Referenzwerte sind die vor dem Beginn der Messung empirisch ermittelten und exakt auf die jeweiligen Eigenschaften der jeweiligen Schräglageranordnungen abgestimmten Vergleichswerte, die den Zustand der optimalen bzw. idealen betriebsfertigen Vorspannung in der Schräglageranordnung repräsentieren.
Denkbar ist zum Beispiel, dass die Längenänderungen durch an der Welle angreifenden Weg- oder Dehnmesssensoren erfasst und anschließend ausgewertet werden.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht den Einsatz von Ultraschallmessverfahren vor. Bei den Verfahren wird ein oder werden mehrere kurze oder längere Ultraschallimpulse in das Material gesendet. Die Ultraschallwellen durchlaufen die Welle von einem Abschnitt, vorzugweise von einer Stirnseite aus, werden dann an dem gegenüberliegenden Abschnitt bzw. der der gegenüberliegenden Stirnseite reflektiert und werden schließlich durch einen Sensor/Wandler am Messkopf wieder empfangen.
Als Messverfahren ist beispielsweise das Puls-Echo-Verfahren vorgesehen. Bei dem Puls-Echo-Verfahren wird die Dämpfung des Echosignals durch Echo-Absorption und -Streuung im Material sowie durch Änderung des Schallstrahl erfasst. Die Reichweite der Puls-Echo-Prüftechnik ist begrenzt. Für größere Reichweiten muss die Leistung des Sendeimpulses also die Amplitude erhöht werden. Derartigen Maßnahmen sind jedoch aufgrund der Leistungsfähigkeit des Ultraschall-Wandlers Grenzen gesetzt, so dass mit einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist, dass die Messung nach dem so genannten Laufzeitverfahren (der Laufzeitmethode) durchgeführt wird.
Bei der Laufzeitmethode wird durch längere Impulsdauer und bei gleich bleibende Amplitude der Energieinhalt des Sendeimpulses mit großer spektraler Bandbreite erhöht. Ultraschallsignale mit vorgenannten Eigenschaften werden als Chirp-Signale bezeichnet. Ein Chirp-Signal ist ein sinusförmig verlaufender Wellenzug, bei dem die aktuelle Frequenz vom Beginn bis zum Ende des Signals stetig innerhalb einer bestimmten Bandbreite, beispielsweise zwischen oberer und unterer Grenze, linear ansteigend moduliert wird. Ein gedämpftes Chirp-Signal kann aufgrund der längeren Signaldauer besser empfangen und entsprechend weiterverarbeitet werden.
Durch die Laufzeit des Signals vom Messkopf (an der Einkopplungsstelle des Ultraschallpulses) zur Reflexionsstelle und zum Signalwandler zurück kann der Abstand zur Reflexionsstelle bestimmt werden. Der Wandler wird auch als Transducer bezeichnet (an der Auskopplungsstelle des Ultraschallpulses) und ist vorzugsweise auch in dem Messkopf integriert. Da sich die Ritzelwelle während des Verspannens der Lagerung dehnt, ändern sich die Laufzeiten der Signale auf Grund geänderter Eigenschaften des Materials sowie der Länge. Bewertet werden beispielsweise die Differenzen aus den Laufzeiten, die an einer nicht vorgespannten Welle und an einer vorgespannten Welle ermittelt werden. Der Zusammenhang zwischen notwendiger Vorspannkraft und der sich daraus ergebenden erforderlichen Laufzeiten wird für jede Anwendung vor den Messungen empirisch in Versuchen ermittelt. Die Einzelmesswerte werden dann mit den empirisch ermittelten Sollwerten verglichen.
Temperaturänderungen beeinflussen die Vorspannung der Schräglageranordnung und somit die Messergebnisse der Messungen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. Die Vorspannung ist zum einen durch die Wärmedehnung der Materialien von Welle und Gehäuse im allgemeinen und zum anderen durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten der miteinander verbauten Materialien und des daraus resultierenden unterschiedlichen Dehnungsverhaltens beeinflusst. Das ist beispielsweise dann kritisch, wenn die Lageranordnung aus Schräglagern und die Welle aus Stahl und das Gehäuse, in der die Anordnung gelagert ist, aus einer Leichtmetalllegierung besteht. Die Änderung der Temperatur resultiert in unterschiedlichen Wärmedehnungen und somit auch in unterschiedlichen Längenänderungen.
Sind die Vorspannungen und damit die daraus resultierenden Längenänderungen sehr gering, können geringe Längenänderungen der Welle als Folge geringer Temperaturschwankungen erheblichen Einfluss auf die Laufzeitmessungen haben. Der Einfluss geringer Temperaturschwankungen auf die Laufzeit wird geringer, je höher die Vorspannung ist.
Um auszuschließen, dass die Einflüsse der Temperatur die Messergebnisse verfälschen, werden vor und während der Messung die Temperaturen an wenigstens einer Messstelle erfasst, die Messwerte in die Auswerteelektronik eingespeist, dort verglichen und entsprechend korrigiert. Anschließend werden die Messergebnisse mit vorher ermittelten Korrekturwerten aus dem Einfluss der Temperatur und der Wärmedehnungskoeffizienten korrigiert.
Es ist in vorteilhafter Weise darüber hinaus möglich, den vorgenannten Effekt aus Temperatureinflüssen bewusst zu nutzen, um beispielsweise in einer betriebsfertig vorgespannten Schräglageranordnung den Einfluss der Temperaturen auf die Vorspannung im Stand oder während des Betriebs der Schräglageranordnung ermitteln zu können.
Alternativ ist die dauerhafte Installation der Messvorrichtung an Schräglageranordnungen für die Diagnose bzw. ständige Überwachung von Betriebszuständen unmittelbar an der Schräglageranordnung oder für die Auswertung aus der Ferne vorgesehen. In diesem Fall ist die Sensorik vorzugsweise mit Dünnschichten und alternativ auch ein entsprechender Sender/Überträger auf die entsprechende Welle dauerhaft aufgebracht.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt stark schematisch vereinfacht eine fertig montierte Schräglageranordnung 1 zur Lagerung einer Ritzelwelle 2, an der ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Messen von Vorspannungen der axial vorgespannten Schräglageranordnung 1 durchführbar ist, sowie eine Vorrichtung 3 zur Durchführung des Verfahrens.
Die Schräglageranordnung 1 ist aus der Ritzelwelle 2 und zwei die Ritzelwelle in Gehäuseabschnitten 4 drehbar lagernden Schräglagern 5 und 6 gebildet. Die Schräglager 5 und 6 sind der Ausrichtung ihrer Kontaktlinien 7 und 8 entsprechend in O-Anordnung gegeneinander angestellt und miteinander mittels einer Mutter 9 gegeneinander vorgespannt. Die Ritzelwelle 2 weist an einem Ende 10 auch ein als Ritzelwellenkopf bezeichnetes Ritzel 11 auf. Auf dem anderen Ende 12 sitzt ein Anschlussflansch 13.
Die Schräglager 5 und 6 sind Lager des Typs Schrägkugellager oder alternativ Kegelrollenlager bzw. Schrägrollenlager. Es ist auch denkbar, das in einer Schräglageranordnung beide Typen angewendet werden. Die Schräglager sitzen axial zwischen dem Ritzel 11 und dem Anschlussflansch 13. Es ist auch denkbar, dass eines der Schräglager sich axial dem Ritzel 11 so anschließt, dass das Ritzel axial zwischen zwei Schräglagern angeordnet ist.
Der Anschlussflansch 13 ist mittels der Mutter 9 gegen einen nicht dargestellten Innenring des Schräglagers 6 vorgespannt. Üblicherweise sitzen die Antriebsflansche mit einer Kerbverzahnung auf der Ritzelwelle, so dass umfangsseitig Leistungsübertragung vom Anschlussflansch auf die Ritzelwelle und umgekehrt möglich ist, der Anschlussflansch jedoch axial zur Einstellung der axialen Vorspannung der Schräglageranordnung 1 axial gegen den Innenring verschoben werden kann.
Die Vorrichtung 3 ist mindestens aus einer Messstation 14 und einem Messkopf 15 und einer Verbindung 16 zwischen der Messstation 14 und dem Messkopf 15 gebildet. Der Messkopf 15 ist an der Stirnseite 17 befestigt und weist einen nicht näher beschriebenen Signalgeber 18 und einen Signalwandler 19 auf. Der Signalgeber 18 ist eine Ultraschallquelle, über die an der mit dem Bezugszeichen 20 symbolisierten Einkopplungsquelle Ultraschallwellen erzeugt bzw. ausgestrahlt werden. Die Ultraschallwellen durchlaufen in Richtung der mit Pfeilen markierten gestrichelten Linie 21 die Ritzelwelle 2 und werden an der Reflexionsstelle/fläche 22 der gegenüberliegenden Stirnseite 23 reflektiert.
Die Ultraschallwellen werden in die in umgekehrte Richtung (in Richtung der Pfeile der gestrichelten Linie 24) reflektiert und mittels des Signalwandlers 18 an der Auskopplungsstelle 25 wieder empfangen. Ein- und Auskopplungsstelle können dabei auch identisch sein.
Je nach Verfahren werden an dem Signalwandler 18 die Änderungen der Ultraschallpulse oder die Laufzeit erfasst und von dem Messkopf 15 über die Verbindung 16 an die Messstation 14 weitergeben. Die Verbindung 16 ist beispielsweise durch Leiterbahnen, Kabel und dazugehörige Verbindungselemente gebildet oder die Verbindung 16 ist alternativ drahtlos und wird beispielsweise per Funk vorgenommen.
In der Messstation 14 werden die entsprechenden Messwerte in der Vorspannung entsprechenden Werte umgerechnet. Bei der Verwendung des Laufzeitverfahrens werden die aus den Vorspannungen resultierenden Material- und Längenänderungen der mit dem Maßpfeil 26 symbolisierten Länge der Ritzelwelle 2 ermittelt und mit Referenzwerten verglichen.
Der Messkopf 15 ist außerdem mit einem Temperaturmessfühler 27 versehen.

1: Schräglageranordnung
2: Ritzelwelle
3: Vorrichtung
4: Gehäuseabschnitte
5: Schräglager
6: Schräglager
7: Kontaktlinie des Schräglagers 5
8: Kontaktlinie des Schräglagers 6
9: Mutter
10: Ende der Ritzelwelle
11: Ritzel
12: Ende der Ritzelwelle
13: Anschlussflansch
14: Messstation
15: Messkopf
16: Verbindung
17: Stirnseite
18: Signalgeber
19: Signalwandler
20: Einkopplungsquelle
21: Linie
22: Reflektionsstelle
23: Stirnseite
24: Linie
25: Auskopplungsstelle
26: Maßpfeil
27: Temperaturmessfühler

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 936965 B [0003]
- DE 10004419 B4 [0007]

Claims

Verfahren zum Messen von Vorspannungen in axial vorgespannten Schräglageranordnungen (1), wobei die Schräglageranordnung (1) aus einer Welle (2) und wenigstens zwei gegeneinander angestellten und verspannten und dabei die Welle (2) in Gehäuseabschnitten (4) drehbar lagernden Schräglagern (5, 6) gebildet ist und wobei zumindest aus den Vorspannungen resultierenden Änderungen von Eigenschaften der Schräglageranordnung (1) ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Vorspannungen resultierende Längenänderungen der Welle (2) an der mittels der Schräglager (5, 6) in der Schräglageranordnungen (1) gelagerten Welle (2) ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längenänderungen mittels Ultraschallmessverfahren ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Änderungen der Eigenschaften von Ultraschallimpulsen aufgrund der Längenänderungen der Welle (2) erfasst und mit Referenzwerten verglichen werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Laufzeit von Ultraschallimpulsen aufgrund der Längenände rungen der Welle (2) erfasst und mit Referenzwerten verglichen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass außer der Längenänderung der Welle (2) zumindest die Umgebungstemperatur oder die Temperatur der Welle (2) gemessen und der Einfluss der momentan gemessenen Temperatur auf die Längenänderung mit einem Korrekturfaktor berücksichtigt wird.
Vorrichtung zu einem Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (2) zumindest an einer von zwei längs voneinander abgewandten Stirnseiten (17, 23) wenigstens mit einem Signalgeber (18) und einem Signalwandler (19) versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (2) stirnseitig mit einer Ultraschallquelle in Form wenigstens eines Signalgebers (18) versehen ist, durch welche nach Aktivierung Ultraschallwellen erzeugt bzw. ausgestrahlt werden, und dass die Welle (2) stirnseitig mit zumindest einem Signalwandler (19) versehen ist, mit dem die an der der Ultraschallquelle gegenüberliegenden Stirnseite (23) der Welle (2) reflektierten Ultraschallwellen wieder empfangen werden.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung an einer Schräglageranordnung (1) zur Lagerung zumindest einer Ritzelwelle (2) angeordnet ist.
Verfahren zur Vorspannung einer Schräglageranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und zum gleichzeitigen Messen der Einflüsse der Vorspannung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor Beginn des Vorspannens in einem ersten Schritt mindest eine Messung im Ausgangszustand vorgenommen wird, dann die Schräglageranordnung (1) vorgespannt wird und dabei mindestens eine weitere Messung solange während des Vorspannens durchgeführt werden, bis der unter der momentanen Vorspannung erreichte Wert dem Referenzwert entspricht und schließlich das Vorspannen bei Erreichen des dem Referenzwert entsprechenden Wertes das Vorspannen beendet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das die Welle (2) beim Vorspannen gedreht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vorspannen an der stehenden Welle (2) gemessen wird.