DE102011105921A1

DE102011105921A1 - Prüfeinrichtung

Info

Publication number: DE102011105921A1
Application number: DE201110105921
Authority: DE
Inventors: Robert Luef; Werner Schöfmann
Original assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Current assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Priority date: 2011-06-29
Filing date: 2011-06-29
Publication date: 2013-01-03

Abstract

Eine Prüfeinrichtung zur Ermittlung von Reibkraft und/oder Verschleiß von relativ zueinander bewegten Prüfkörpern umfasst einen ersten und einen zweiten um eine jeweilige Rotationsachse rotierbaren Prüfkörper. Die Prüfkörper sind derart zueinander angeordnet, dass sich eine Stirnfläche des ersten Prüfkörpers und eine Mantelfläche des zweiten Prüfkörpers in einem Berührpunkt oder in einer Berührlinie berühren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Prüfeinrichtung zur Ermittlung von Reibkraft und/oder Verschleiß von relativ zueinander bewegten Prüfkörpern, mit zumindest einem ersten und einem zweiten um eine jeweilige Rotationsachse rotierbaren Prüfkörper.
Bei einer derartigen Prüfeinrichtung rotieren die Prüfkörper unter gegenseitiger Berührung, wobei in der Regel nach einer gewissen Betriebszeit ein hauptsächlich durch Abrieb bedingter Verschleiß an den Prüfkörpern feststellbar ist. Mit Hilfe geeigneter Messaufnehmer lassen sich zudem die zwischen den Prüfkörpern auftretenden Reibkräfte ermitteln. Mit Hilfe einer solchen Prüfeinrichtung lassen sich insbesondere auch das Verschleißverhalten und die Reibkräfte simulieren, wie sie bei einem Getriebe, beispielsweise einem Stirnradgetriebe, einem Winkelgetriebe oder einem Reibradgetriebe auftreten.
Bei einer an sich bekannten Prüfeinrichtung werden rotationssymmetrische, um parallele Rotationsachsen drehende Prüfkörper mit einer vorgebbaren Kraft gegeneinander gepresst und mit gleichen oder leicht unterschiedlichen Umfangsgeschwindigkeiten angetrieben. Mit einer solchen Prüfeinrichtung können bei relativ einfachen Verzahnungen, etwa bei Geradverzahnungen, in einem gewissen Ausmaß die bei einem Zahneingriff auftretenden Krümmungsverhältnisse und Gleitgeschwindigkeiten in einer Normalrichtung zur Flankenlinie nachgebildet werden. Für die Prüfung von komplexeren Verzahnungen, z. B. Schrägverzahnungen oder Verzahnungen mit gekrümmten Zahnflanken, ist eine derartige Prüfeinrichtung meist nicht mehr ausreichend.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Prüfeinrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, welche die Ermittlung von Reibkraft und/oder Verschleiß von relativ zueinander rotierenden Prüfkörpern unter möglichst realistischen Bedingungen erlaubt.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 und insbesondere dadurch, dass die Prüfkörper derart zueinander angeordnet sind, dass sich eine Stirnfläche des ersten Prüfkörpers und eine Mantelfläche des zweiten Prüfkörpers in einem Berührpunkt oder in einer Berührlinie berühren.
Die Stirnfläche des ersten Prüfkörpers erstreckt sich in einer Normalebene zur Rotationsachse des ersten Prüfkörpers, während die Mantelfläche des zweiten Prüfkörpers als Umfangsfläche in einem bestimmten Abstand um die Rotationsachse des zweiten Prüfkörpers herum verläuft. Dabei ist es zwar bevorzugt, jedoch nicht zwingend erforderlich, wenn die Stirnfläche des ersten Prüfkörpers eben und/oder der zweite Prüfkörper rotationssymmetrisch in Bezug auf seine Rotationsachse ist.
Mit der erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung ist es möglich, die bei der Rotation der sich berührenden Prüfkörper auftretenden Reibkräfte und/oder das Verschleißverhalten der Prüfkörper unter realistischen Bedingungen zu ermitteln. Die beim Betrieb der Prüfeinrichtung zwischen den Prüfkörpern wirksamen Reibungskräfte können sowohl bezüglich ihres Betrags als auch bezüglich ihrer Richtung mittels eines oder mehrerer Kraftmessaufnehmer ermittelt werden, welche zum Beispiel an einer den jeweiligen Prüfkörper tragenden Welle bzw. an der Wellenlagerung angeordnet sein können.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist es möglich, die Kraftmessaufnehmer durch entsprechende starre Elemente zu ersetzen, so dass eine Verschleißermittlung ohne Reibkraftmessung durchgeführt werden kann.
Bevorzugt sind die Prüfkörper ferner derart zueinander ausgerichtet oder ausrichtbar, dass sich ihre Rotationsachsen im Wesentlichen rechtwinklig kreuzen, jedoch nicht schneiden. Die Rotationachsen können sich zum Beispiel aufgrund einer Bombierung eines oder beider Prüfkörper auch unter einem von 90° verschiedenen Winkel kreuzen, wobei die Abweichung von einem rechten Winkel in der Regel nicht wesentlich mehr als 1° beträgt. Mit einer derart ausgestalteten Prüfeinrichtung ist es möglich, das Reib- und/oder Verschleißverhalten auch von komplexeren Verzahnungen möglichst exakt zu simulieren, da mit sich kreuzenden, sich jedoch nicht schneidenden Rotationsachsen auch solche Zahnflankenkrümmungen und Gleitgeschwindigkeiten nachgebildet werden können, wie sie etwa bei Getrieben mit Schrägverzahnung und/oder gekrümmten Zahnflanken auftreten.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Prüfkörper derart zueinander angeordnet, dass der Abstand der Rotationsachsen zueinander veränderlich ist, insbesondere zwischen zwei Abstandswerten oszillierend. Die Veränderung des Abstands ermöglicht eine besonders reale Annäherung an die mittels der Prüfeinrichtung zu überprüfenden tatsächlichen Gleit- bzw. Reibverhältnisse. Eine noch bessere Anpassung ergibt sich durch die Möglichkeit, den Abstand zwischen zwei Abstandswerten zeitlich oszillierend zu verändern. Dies erlaubt die Reibungs- bzw. Verschleißermittlung auch unter solchen Verhältnissen, wie sie z. B. bei einem Hypoidgetriebe auftreten. Bei einem Hypoidgetriebe handelt es sich um eine Abwandlung eines Kegelradgetriebes, wobei die Rotationsachsen von Antriebs- und Tellerrad einen Achsversatz aufweisen. Bei derartigen Hypoidgetrieben findet eine Abwälzbewegung der Zähne statt, bei der neben einer Gleitbewegung normal zur Flankenlinie, also in Hochgleitrichtung, zusätzlich eine Gleitbewegung parallel zur Flankenlinie auftritt, also in Längsgleitrichtung.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Prüfeinrichtung Verstellmittel auf, welche dazu ausgelegt sind, den zweiten Prüfkörper senkrecht zu seiner Rotationsachse und parallel zu der Rotationsebene des ersten Prüfkörpers zu verschieben, bevorzugt linear. Derartige Verstellmittel sind geeignet, eine Veränderung des Abstands der Rotationsachsen der Prüfkörper zu bewirken. Alternativ können die Verstellmittel so ausgestaltet werden, dass der erste Prüfkörper parallel zu seiner Rotationsebene und senkrecht zur Rotationsachse des zweiten Prüfkörpers verschoben wird.
Es ist bevorzugt, dass die Verstellmittel dazu ausgelegt sind, den zweiten Prüfkörper zwischen zwei Positionen oszillierend und insbesondere synchron zu seiner Winkelstellung zu verschieben. Durch die oszillierende Verschiebung des zweiten Prüfkörpers kann eine besonderes realitätsnahe Simulation der bei einem Hypoidgetriebe auftretenden Gleitbewegungen erreicht werden. Falls diese Verstellung synchron zur Winkelstellung des zweiten Prüfkörpers erfolgt, lassen sich die Verstellmittel besonders einfach ausgestalten. Es versteht sich, dass auch bei dieser Abwandlung alternativ eine oszillierende Verstellung des ersten Prüfkörpers erfolgen kann.
Vorzugsweise umfassen die Verstellmittel ein Exzenterelement, welches gemeinsam mit dem zweiten Prüfkörper auf einer Welle angeordnet ist, welche die Rotationsachse des zweiten Prüfkörpers und des Exzenterelements definiert, wobei das Exzenterelement mit einem in Bezug auf den Prüfkörper feststehenden Steuerabschnitt zusammenwirkt, um den zweiten Prüfkörper zu verschieben.
Das Exzenterelement kann beispielsweise als eine Kurven- oder Nockenscheibe ausgebildet sein, wobei in dem Fall die Welle durch eine Feder oder dergleichen in Richtung auf den feststehenden Steuerabschnitt vorgespannt sein kann. Es können auch wenigstens zwei Kurvenscheiben vorgesehen werden, welche eine Zwangsführung bilden. Weiterhin kann das Verstellelement auch durch einen Exzenter mit einer geschlossenen Steuerkurve ausgebildet sein, wobei in dem Fall der feststehende Steuerabschnitt ein entsprechendes Steuerelement aufweist, welches in die Steuerkurve eingreift. Schließlich kann das Exzenterelement auch einen beabstandet um die Welle rotierenden Kurbelzapfen als Bestandteil eines Kurbeltriebs umfassen, wobei das eine Ende einer Koppelstange an dem feststehenden Steuerabschnitt und das andere Ende der Koppelstange an dem Kurbelzapfen angelenkt ist. Als weitere Alternative kann ein Gleichdick als Exzenterelement verwendet werden.
Das Exzenterelement muss nicht zwingend unmittelbar an der den zweiten Prüfkörper tragenden Welle angeordnet sein. Es ist alternativ auch möglich, dass das Exzenterelement schlupffrei von der Welle angetrieben wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Prüfeinrichtung Antriebsmittel auf, welche dazu ausgelegt sind, die Prüfkörper um ihre jeweiligen Rotationsachsen rotierend anzutreiben. Durch einen Antrieb beider Prüfkörper lassen sich die Reib- und/oder Verschleißverhältnisse besonders wirklichkeitsnah simulieren.
Vorzugsweise sind die Antriebsmittel derart betreibbar, dass die Umlaufgeschwindigkeiten der Prüfkörper in dem Berührpunkt oder in der Berührlinie unterschiedlich sind, wobei insbesondere die Winkelgeschwindigkeiten der Prüfkörper gleich sind oder sich um einen ganzzahligen Faktor voneinander unterscheiden. Durch eine derartige Synchronisierung der Winkelgeschwindigkeiten wird erreicht, dass sich die Prüfkörper zumindest nach Ablauf eines bestimmten Rotationszyklus jeweils an denselben Stellen berühren wie zu Beginn des Rotationszyklus. Die Winkelgeschwindigkeiten können sich jedoch auch um andere Faktoren voneinander unterscheiden, etwa um einen Faktor von 1,5.
Bevorzugt ist, wenn der erste Prüfkörper scheibenförmig und der zweite Prüfkörper zylinderförmig oder tonnenförmig ausgebildet ist. Bei einem zylinderförmigen zweiten Prüfkörper berühren sich die Prüfkörper in einer Berührlinie, während bei einem tonnenförmigen zweiten Prüfkörper die Berührung in einem Berührpunkt erfolgt.
Bevorzugt sind die Prüfkörper derart zueinander verstellbar, dass der Berührpunkt oder die Berührlinie in Bezug auf den ersten Prüfkörper frei bestimmbar ist. Insbesondere kann der erste Prüfkörper parallel zu seiner Rotationsebene versetzbar gelagert sein.
Vorzugsweise weist die Prüfeinrichtung Anpressmittel auf, welche ausgelegt sind, die Prüfkörper mit einer vorbestimmten Anpresskraft aneinander zu pressen. Bevorzugt weist die Prüfeinrichtung eine Messvorrichtung zur Ermittlung der im Berührpunkt oder in der Berührlinie der Prüfkörper wirksamen Anpresskraft auf. Die Anpresskraft kann direkt auf Lagergehäuse einer den zweiten Prüfkörper tragenden Welle aufgebracht werden. Dadurch lässt sich die Masse der oszillierend bewegten Teile minimieren.
Ein Wuchten einer den ersten Prüfkörper tragenden Welle kann mittels der vorstehend erwähnten, an der Welle bzw. einem Wellenlager angeordneten Kraftmessaufnehmer erfolgen. Die den ersten Prüfkörper tragende Welle kann mittels einer kardanischen Lagerung, gelagert sein, wobei sich der Gelenkpunkt eines zwischen der Welle und einem Antrieb vorhandenen Kardangelenks in der Gelenkebene der kardanischen Lagerung befindet. Dies ermöglicht die Eliminierung von auf den oder die Kraftmessaufnehmer einwirkenden Störkräfte. Wenn sich der Berührpunkt oder die Berührlinie über dem Zentrum der kardanischen Lagerung der den ersten Prüfkörper tragenden Welle befindet, erfolgt keine Beeinflussung der Reibkraftmessung durch die Anpresskraft. Die kardanische Lagerung kann Schneidenlager, aber auch Wälz,- Gleit- oder Luftlager umfassen.
Ferner kann eine Vorrichtung zur Beölung der Prüfkörper vorgesehen sein. Bevorzugt kann ein getrennter Prüfölkreislauf vorgesehen sein, um Ölschädigungsläufe durchzuführen. Dabei kann eine definierte Ölmenge in Umlauf sein.
Die Mantelfläche des zweiten Prüfkörpers kann Ausnehmungen und/oder Freistellungen aufweisen, so dass eine unterbrochene Kontaktlinie entsteht. Bevorzugt ist dabei der Umfang der Projektion des zweiten Prüfkörpers in Richtung seiner Rotationsachse kreisförmig, also frei von Ausnehmungen und/oder Freistellungen. Auf der Stirnfläche des ersten Prüfkörpers können alternativ oder zusätzlich Ausnehmungen und/oder Freistellungen vorgesehen sein, um ebenfalls eine unterbrochene Kontaktlinie zu erzeugen.
Eine Tauschbarkeit der Prüfkörper kann durch auskragende Wellen gewährleistet werden. Ferner können Mittel zur wiederholgenauen Spannung der Prüfkörper hinsichtlich des Winkels und der Position an den jeweiligen Wellen vorgesehen werden.
Ferner ist es möglich, eine Horizontallage der den zweiten Prüfkörper tragenden Welle durch entsprechende Prüfkörperabmessungen sicherzustellen. Die Prüfkörper können einstückig oder mehrstückig ausgebildet sein, um beispielsweise Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften zu prüfen. Ferner kann auch das Exzenterelement einstückig oder mehrstöckig ausgebildet sein.
Die Verstellmittel zur Verstellung des zweiten Prüfkörpers können zusätzlich eine Einstelllehre umfassen. Weiterhin kann die den ersten Prüfkörper tragende Welle Ausgleichsgewichte aufweisen.
Bevorzugt ist der erste Prüfkörper längs zu seiner Rotationsachse verstellbar. Durch diese Höhenverstellbarkeit ist eine Anpassung an unterschiedliche Durchmesser des zweiten Prüfkörpers möglich.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 und 2 schematische Draufsichten einer erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
3 eine schematische Seitenansicht der Prüfeinrichtung der 1 und 2;
4 bis 8 verschiedene perspektivische Ansichten einer erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
9 bis 11 verschiedene Ansichten einer Oszillationsvorrichtung für eine Prüfeinrichtung gemäß 1 bis 8; und
12 verschiedene Ansichten eines zweiten Prüfkörpers zur Verwendung mit den Prüfeinrichtungen gemäß 1 bis 8.
1 bis 3 zeigen eine Prüfeinrichtung 10 in rein schematischer Darstellung, wobei verschiedene konstruktive Details weggelassen wurden, die zum Verständnis des grundlegenden Prinzips der Erfindung nicht zwingend erforderlich sind.
Die Prüfeinrichtung 10 umfasst einen scheibenförmigen ersten Prüfkörper 12 mit einer Stirnfläche 16 und einen tonnenförmigen zweiten Prüfkörper 14 mit einer Mantelfläche 18. Der erste Prüfkörper 12 ist an einer um eine Rotationsachse y1 drehbaren Welle 22 befestigt, welche mittels eines Antriebs 26 mit einer Drehzahl n1 angetrieben werden kann, wobei die Drehzahl der Welle 22 bevorzugt veränderbar ist. Die Stirnfläche 16 des ersten Prüfkörpers 12 rotiert demnach in einer Rotationsebene x1–z1.
Der zweite Prüfkörper 14 ist an einer um eine Rotationsachse z2 drehbaren Welle 24 befestigt, welche mittels eines Antriebs 28 mit einer Drehzahl n2 angetrieben werden kann, wobei auch die Drehzahl der Welle 24 veränderbar sein kann. Der zweite Prüfkörper 14 rotiert in einer Ebene y2–x2. Die Kraftverbindung zwischen dem Antrieb 28 und der Welle 24 ist hier rein schematisch dargestellt und kann zum Beispiel direkt oder über geeignete Kardanantriebe erfolgen.
Die Stirnfläche 16 des ersten Prüfkörpers 12 und die Mantelfläche 18 des zweiten Prüfkörpers 14 berühren sich in einem Berührpunkt P, wobei nicht dargestellte Anpressmittel vorgesehen sind, welche die Prüfkörper 12, 14 mit einer Anpresskraft F normal zur Stirnfläche 16 gegeneinander pressen (3).
Die Prüfeinrichtung 10 weist ferner nicht dargestellte Einstellmittel auf, die es ermöglichen, die Prüfkörper 12, 14 zueinander auszurichten, wobei die Lage des Berührpunkts P weitgehend frei wählbar ist. Dies bedeutet insbesondere, dass der Abstand des Punkts P von der Rotationsachse y1 des ersten Prüfkörpers 12 und der Abstand der Rotationsachse z2 des zweiten Prüfkörpers von der Rotationsachse y1 des ersten Prüfkörpers 12 in gewissen Grenzen frei wählbar sind. In Abhängigkeit von dem Abstand der Rotationsachsen y1, z2 zueinander verändert sich der Versatzwinkel des zweiten Prüfkörpers 14 in Bezug auf den ersten Prüfkörper 12. Insbesondere ist es auch möglich, die Prüfkörper 12, 14 so zueinander auszurichten, dass der Abstand der Rotationsachsen y1, z2 und damit auch der Versatzwinkel zwischen den Prüfkörpern 12, 14 gleich Null wird.
Der zweite Prüfkörper 14 weist ferner nicht dargestellte Verstellmittel auf, die dazu ausgelegt sind, den zweiten Prüfkörper 14 linear entlang der Achse x2 zu verstellen. Die Verstellmittel können beispielsweise – wie vorstehend bereits erläutert – ein auf der Welle 24 angeordnetes Exzenterelement, wie beispielsweise eine Nockenscheibe, ein Exzenter mit geschlossener Steuerkurve oder einen Kurbeltrieb, umfassen. Die Verstellung des zweiten Prüfkörpers 14 erfolgt hierbei oszillierend und periodisch mit der Drehfrequenz der Welle 24, so dass sich der Berührpunkt P zwischen einer Endposition P' und einer Endposition P'' hin und herbewegt (1).
Mit Bezug auf 2 wird die Relativbewegung der Prüfkörper 12, 14 zueinander anhand des dargestellten Vektordiagramms näher erläutert. Für den ersten Prüfkörper 12 ergibt sich aus dem Abstand des Berührpunkts P von der Rotationsachse y1 und der Drehzahl n1 des ersten Prüfkörpers 12 eine Umlaufgeschwindigkeit v(n1), während sich für den zweiten Prüfkörper 41 in Abhängigkeit von dem Abstand des Berührpunkts P von der Rotationsachse z2 und der Drehzahl n2 des zweiten Prüfkörpers 14 eine Umlaufgeschwindigkeit v(n2) ergibt. Aufgrund der oszillierenden Verstellung des zweiten Prüfkörpers 14 entlang der Achse x2 addiert sich zu der Umlaufgeschwindigkeit v(n2) des zweiten Prüfkörpers eine zusätzliche zum Vektor v(n2) parallele Geschwindigkeitskomponente vP_x2, deren Betrag und Richtung sich jedoch periodisch ändert.
Die Umlaufgeschwindigkeiten v(n1) und v(n2) sowie die Geschwindigkeitskomponente vP_x2 addieren sich vektoriell zu einer resultierenden Geschwindigkeit v_res, die sich mit der Geschwindigkeitskomponente vP_x2 ebenfalls periodisch ändert.
Wie sich aus dem in 2 dargestellten Vektordiagramm ergibt, lässt sich die resultierenden Geschwindigkeit v_res vektoriell in eine Längsgeschwindigkeitskomponente v_längs, welche in Richtung der Rotationsachse z2 weist, und eine hierzu normale Quergeschwindigkeitskomponente v_quer, welche in Richtung der Achse x2 weist, zerlegen. Diese Geschwindigkeitskomponenten v_längs, v_quer entsprechen weitgehend den korrespondierenden Flankengeschwindigkeiten bei einer realen Verzahnung.
Die Rotation des ersten Prüfkörpers 12 simuliert hierbei die Längsgleitgeschwindigkeit und die korrespondierende Abrollgeschwindigkeit der Zahnflanken, während die Rotation und Oszillation des zweiten Prüfkörpers 14 die Hochgleitgeschwindigkeit und die korrespondierende Abrollgeschwindigkeit der Zahnflanken simulieren.
Ferner wird die Simulationssituation durch den Winkel mitbestimmt, der zwischen der Rotationsachse z2 des zweiten Prüfkörpers 14 und dem Umlaufgeschwindigkeitsvektor v(n1) des ersten Prüfkörpers 12 eingeschlossen ist (2). Wenn dieser Winkel 90° beträgt, der zweite Prüfkörper 14 also ausschließlich in tangentialer Richtung bezüglich des ersten Prüfkörpers 12 rotiert, kann ein Hoch- bzw. Längsgleiten simuliert werden. Falls dieser Winkel 0° (bzw. 180°) beträgt, der zweite Prüfkörper 14 also ausschließlich in radialer Richtung bezüglich des ersten Prüfkörpers 12 rotiert, kann ein Rollen oder Gegengleiten simuliert werden. Selbstverständlich können auch beliebige andere Winkel zwischen der Rotationsachse z2 und dem Vektor v(n1) eingestellt werden.
Eine geeignete Auswahl der Umlaufgeschwindigkeiten v(n1) und v(n2) der Prüfkörper 12, 14, der Winkelausrichtung der Rotationsachse z2 des zweiten Prüfkörpers 14 in Bezug auf den Umlaufgeschwindigkeitsvektor v(n1) sowie der Periode und des Betrags der Verstellbewegung in Richtung der x2-Achse ermöglichen somit eine weitgehend realistische Simulation der Reibungs- und Verschleißbedingungen auch bei komplexen Getriebeverzahnungen, wie sie beispielsweise bei Hypoidgetrieben auftreten können.
Mit Bezug auf die 4 bis 8 wird nachfolgend eine Prüfeinrichtung 10' gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Da die Prüfeinrichtung 10 gemäß 4 bis 8 in wesentlichen Merkmalen mit der Prüfeinrichtung 10 gemäß 1 bis 3 übereinstimmt, werden für gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet.
Die Prüfeinrichtung 10 umfasst eine Basis 30, welche ungefähr die Gestalt eines liegenden U aufweist. Auf der horizontalen Oberseite 31 der Basis 30 ist ein Lagerbock 32 mittels einer kreisbahnförmigen Kulisse (nicht dargestellt) um eine vertikale Symmetrieachse C schwenkbar gelagert.
An dem Lagerbock 32 ist ein Schwenktisch 34 um eine horizontale Schwenkachse H schwenkbar gelagert. Der Schwenktisch 34 weist eine horizontale Gleitfläche 36 auf, auf welcher eine Lagerplatte 38 derart um eine vertikale Schwenkachse V schwenkbar angeordnet ist, dass ein Abheben der Lagerplatte 38 von der Gleitfläche 36 verhindert wird.
In Übereinstimmung mit dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 bis 3 ist ein zweiter Prüfkörper 14 an einer um eine Rotationsachse z2 drehbaren Welle 24 befestigt, welche mittels eines an dem Schwenktisch 34 befestigten Antriebs 28 mit einer Drehzahl n2 angetrieben werden kann. Die Welle 24 ist an der Lagerplatte 38 gelagert und über ein Kardangelenk 46, dessen Gelenkachse mit der vertikalen Schwenkachse V zusammenfällt, mit dem Antrieb 28 verbunden.
Eine Exzenterwelle 40 ist ortsfest auf der Gleitfläche 36 benachbart zu der Lagerplatte 38 gelagert und über ein Getriebe 44 von der Welle 24 antreibbar. An einem dem Getriebe 44 gegenüberliegenden Ende der Exzenterwelle 40 ist ein mit der Lagerplatte 38 gekoppelter Kurbeltrieb 42 vorgesehen, welcher die Rotation der Exzenterwelle 40 in eine um die Schwenkachse V verlaufende oszillierende Schwenkbewegung der Lagerplatte 38 bzw. der Welle 24 umwandelt.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist das Getriebe 44 ein Übersetzungsverhältnis von 1:1 zu auf. Grundsätzlich sind jedoch auch beliebige andere, bevorzugt jedoch ganzzahlige Über- bzw. Untersetzungsverhältnisse möglich.
An der Oberseite 31 der Basis ist im Bereich eines Abschnitts, welcher den oberen Schenkel der U-förmigen Basis 30 bildet, ein Hohlzylinder 50 mittels Schneidenlagern, welche Schneiden und Pfannen umfassen, auf nachfolgend näher erläutere Weise kardanisch gelagert.
Im Inneren des als Wellenlager dienenden Hohlzylinders 50 ist eine Welle 22 drehbar gelagert. Am oberen Ende der Welle 22 ist analog zum ersten Ausführungsbeispiel (1 bis 3) ein scheibenförmiger erster Prüfkörper 12 befestigt. Das untere Ende der Welle 22 ist mit einem Antrieb 26 verbunden, welcher horizontal verschieblich zwischen den beiden Schenkeln der U-förmigen Basis 30 gelagert ist.
Die Welle 22 weist ein Kardangelenk 70 auf, dessen Gelenkpunkt sich in einer von den Schwenkachsen A und B aufgespannten Ebene befindet. Neben einem Winkelausgleich gestattet das Kardangelenk 70 zusätzlich auch einen Längenausgleich der Welle 22.
Analog zu dem ersten Ausführungsbeispiel (1 bis 3) berühren sich eine Stirnfläche 16 des ersten Prüfkörpers 12 und eine Mantelfläche 18 des zweiten Prüfkörpers 14 in einen Berührpunkt P.
Durch ein Verschwenken des Lagerbocks 32 in Bezug auf die Basis 30 um die Symmetrieachse C einerseits und durch ein Verschieben des Hohlzylinders 50 in Bezug auf die Basis 30 parallel zu der Schwenkachse B lässt sich die Lage des Berührpunkts P in Bezug auf den ersten Prüfkörper 12 und die Ausrichtung der Rotationsachse z2 des zweiten Prüfkörpers 14 weitgehend frei einstellen, wie es ausführlich mit Bezug auf die Prüfeinrichtung 10 (1 bis 3) beschrieben wurde. Bezüglich der Basis 30 bleibt der Berührpunkt P jedoch ortsfest und befindet sich stets auf der Symmetrieachse C.
Zwischen dem Schwenktisch 34 und dem Lagerbock 32 ist eine Anpressvorrichtung 48 vorgesehen, welche beispielsweise hydraulisch betrieben ist und die Prüfkörper 12, 14 mit einer definierbaren Anpresskraft F normal zur Stirnfläche 16 gegeneinander presst.
An den Außenwänden des Hohlzylinders 50 sind zwei einander gegenüberliegende Schneiden 52 horizontal verschieblich befestigt, sodass der Hohlzylinder 50 in Bezug auf die Basis 30 in noch näher zu erläuternder Weise versetzt werden kann.
Die Schneiden 52 sind in korrespondierenden Pfannen 56 aufgenommen, welche an einem rechteckigen Rahmen 60 vorgesehen sind, welcher den Hohlzylinder 50 umgibt. An der Unterseite des Rahmens 60 sind wiederum zwei einander gegenüberliegende Schneiden 54 vorgesehen, welche gegenüber den Schneiden 52 um 90° versetzt sind. Die Schneiden 54 sind in korrespondierenden Pfannen 58 gelagert, welche über zwei zur Ermittlung der Anpresskraft F vorgesehene Kraftmessaufnehmer 62 an der Oberseite 31 der Basis 30 abgestützt sind.
Die Kraftmessaufnehmer 62 können an Pendelstützen (nicht dargestellt) gelagert sein, um ein Drehmoment des Hohlzylinders 50, das von der drehenden Welle 22 aufgrund von Lagerreibung erzeugt wird, abzufangen und die Kraftmessaufnehmer 62 somit von quer zur Messrichtung wirkenden Kräften zu entlasten.
Die Schneiden 52 und die Pfannen 56 definieren eine Schwenkachse A und die Schneiden 54 und die Pfannen 58 eine zur Schwenkachse A orthogonale Schwenkachse B einer kardanischen Schneidenlagerung, wobei beide Schwenkachsen A, B in einer horizontalen Ebene liegen und die Symmetrieachse C rechtwinklig schneiden, d. h. der Schnittpunkt der Schwenkachsen A, B liegt auf der Symmetrieachse C.
Zwischen dem Hohlzylinder 50 und zwei an der Basis 30 befestigten, vertikal aufragenden Tragarmen 68 sind zwei weitere Kraftmessaufnehmer 64, 66 angeordnet, die gegeneinander um 90° versetzt sind.
Während des Betriebs der Prüfeinrichtung 10 wirken zwischen den Prüfkörpern 12, 14 Reibkräfte, welche ein Kippmoment auf den Hohlzylinder 50 und daraus resultierend entsprechend Kräfte auf die Kraftmessaufnehmer 64, 66 ausüben. Mittels der Kraftmessaufnehmer 64, 66 ist es demnach möglich, die zwischen den Prüfkörpern 12, 14 herrschenden Reibkräfte zu ermitteln.
Mit Hilfe der Kraftmessaufnehmer 64, 66 kann ferner eine etwaige Unwucht des ersten Prüfkörpers 12 ermittelt und durch Anbringung von Ausgleichsgewichten kompensiert werden.
Bei der Darstellung gemäß 4 bis 8 fallen die Symmetrieachse C und die nicht dargestellte Drehachse der Welle 22 annähernd zusammen, sodass sich der Berührpunkt P mit dem Drehpunkt des ersten Prüfkörpers 12 zusammenfällt. Wird nun der Hohlzylinder 50 durch Verschieben der Schneiden 52 entlang der Schwenkachse B verschoben, entfernt sich entsprechend auch der Berührpunkt P von der Drehachse des ersten Prüfkörpers 12. Der Antrieb 26 wird zusammen mit dem Hohlzylinder 50 verschoben, sodass gewährleistet ist, dass die beiden über das Kardangelenk 70 verbundenen Abschnitte der Welle 22 zueinander fluchten und über die Welle 22 kein Kippmoment auf den Hohlzylinder 50 übertragen wird.
Da der Berührpunkt P – wie bereits erwähnt – ortsfest in Bezug auf die Basis 30 und damit auch auf die durch die Schneiden 52, 54 und die Pfannen 56, 58 gebildete Kardanaufhängung des Hohlzylinders 50 ist, wird vermieden, dass alleine durch die Anpresskraft F bereits ein Kippmoment auf den Hohlzylinder 50 ausgeübt wird.
Beim Verschieben des Hohlzylinders 50 in Richtung der Schwenkachse B verschiebt sich jedoch auch dessen Schwerpunkt in Bezug auf die Schneidenlager, sodass der Hohlzylinder 50 nicht mehr vertikal über der Schwenkachse A liegt und folglich aufgrund der Schwerkraft ein um die Schwenkachse A wirkendes Kippmoment entsteht. Dieses Kippmoment lässt sich entweder mechanisch durch Anbringung entsprechender Gegengewichte am Hohlzylinder 50 oder rechnerisch mit Hilfe der Kraftmessaufnehmer 64, 66 kompensieren, indem das Kippmoment ohne ein Anpressen der Prüfkörper 12, 14 gemessen wird.
Während bei der Prüfeinrichtung 10 gemäß 1 bis 3 die oszillierende Relativbewegung der Prüfkörper 12, 14 zueinander als ein rein lineare Bewegung beschrieben wurde, weist die Relativbewegung der Prüfkörper 12, 14 bei der Prüfeinrichtung 10' gemäß 4 bis 8 aufgrund der Verschwenkung der Welle 24 um die Schwenkachse V zusätzlich eine Winkelkomponente auf. Typischerweise beträgt jedoch der Abstand zwischen der Schwenkachse V und dem Berührpunkt P etwa 300 mm, während die Amplitude der durch den Kurbeltrieb 42 bewirkten Oszillationsbewegung des zweiten Prüfkörpers 14 den Berührpunkt P typischerweise etwa +/–5 mm und der Gesamthub damit 10 mm beträgt, so dass die Winkelkomponente der Oszillationsbewegung des zweiten Prüfkörpers 14 bei der Prüfeinrichtung 10 zu vernachlässigen ist.
In Abwandlung der Prüfeinrichtungen 10 bzw. 10' wird mit Bezug auf 9 bis 11 nachfolgend eine Oszillationsvorrichtung 80 beschrieben, welche ein Beispiel für die mit Bezug auf die Prüfeinrichtung 10 erwähnten Verstellmittel darstellt bzw. anstelle des mit Bezug auf die Prüfeinrichtung 10' beschriebenen Kurbeltriebs 42 zur Erzeugung der oszillierenden Verstellbewegung des zweiten Prüfkörpers 14 vorgesehen werden kann.
Die Oszillationsvorrichtung 80 umfasst zwei drehfest auf der Exzenterwelle 40 angeordnete, axial benachbarte Nocken 82. Im Bereich der Nocken 82 ist ein Käfig 86 vorgesehen, welcher radial zur Drehachse der Exzenterwelle 40 verschieblich geführt ist und die beiden Nocken 82 übergreift. Im Käfig 86 ist an einander gegenüberliegenden Seiten der Nocken 82 jeweils eine Rolle 84 drehbar gelagert, wobei jede Rolle 84 mit ihrem Umfang am Umfang eines ihr zugeordneten Nocken 82 abrollt. Die Nocken 82 sind so ausgestaltet, sodass stets beide Rollen 84 mit den ihr zugeordneten Nocken 82 in Kontakt stehen, sodass sich letztlich eine Zwangsführung für den Käfig 86 ergibt und dieser eine Drehung der Exzenterwelle 40 in eine durch die Doppelpfeile angedeutete Linearbewegung umsetzt.
Die Linearbewegung wird über eine Schubstange 88 auf die Welle 24 bzw. die Lagerplatte 38 übertragen, um damit die oszillierende Verstellung des zweiten Prüfkörpers 14 zu bewirken. Die Oszillationsvorrichtung 80 ermöglicht es, auch komplexere zeitliche Verläufe der Verstellbewegung des zweiten Prüfkörpers 14 zu erzeugen als es etwa mit einem Kurbeltrieb möglich ist.
Mit Bezug auf 12 wird nachfolgend in Abwandlung des vorstehend beschriebenen zweiten Prüfkörpers 14 ein zweiter Prüfkörper 14 beschrieben, welcher in besonderer Weise dazu geeignet ist, das Verschleißverhalten und die Reibkräfte zu simulieren, wie sie bei einem Getriebe, insbesondere bei einem Hypoidgetriebe, auftreten.
Der Prüfkörper 14' weist an seiner Mantelfläche 18' einen ersten, zylindrischen Prüfkörperabschnitt 90a und einen in axialer Richtung benachbarten zweiten, tonnenförmigen Prüfkörperabschnitt 90b auf. Jeder Prüfkörperabschnitt 90a, 90b weist an seinem Umfang eine Ausnehmung 92a bzw. 92b auf, welche sich in axialer Richtung gesehen über die gesamte Breite des jeweiligen Prüfkörperabschnitts 90a bzw. 90b erstrecken, jedoch nur über einen Teil des Umfangs.
Die Ausnehmungen 92a und 92b sind komplementär zueinander ausgebildet, wobei die Ausnehmung 92a einen Winkel von etwa 280° und die Ausnehmung 92b von etwa 80° umfasst.
Durch die komplementäre Anordnung der Ausnehmungen 92a, 92b erscheint der Umfang des Prüfkörpers 14' in der Axialprojektion als durchgängiger Kreis ohne irgendwelche Einschnürungen, sodass im Betrieb ein Schlagen des zweiten Prüfkörpers 14' auf dem ersten Prüfkörper 12 vermieden wird.
Auf entsprechende Weise können auch auf der Stirnfläche 16 des ersten Prüfkörpers 12 (1 bis 8) Ausnehmungen vorgesehen werden, wobei in dem Fall der zweite Prüfkörper 14 bevorzugt frei von Ausnehmungen, insbesondere zylindrisch, ist.
Bezugszeichenliste

10, 10': Prüfeinrichtung
12: erster Prüfkörper
14, 14': zweiter Prüfkörper
16: Stirnfläche
18, 18': Mantelfläche
22, 24: Welle
26, 28: Antrieb
30: Basis
31: Oberseite
32: Lagerbock
34: Schwenktisch
36: Gleitfläche
38: Lagerplatte
40: Exzenterwelle
42: Kurbeltrieb
44: Getriebe
46: Kardangelenk
48: Anspressvorrichtung
50: Hohlzylinder
52, 54: Schneide
56, 58: Pfanne
60: Rahmen
62, 64, 66: Kraftsensor
68: Tragarm
70: Kardangelenk
80: Oszillationsvorrichtung
82: Nocke
84: Rolle
86: Käfig
88: Schubstange
90a, 90b: Prüfkörperabschnitt
92a, 92b: Ausnehmung
P, P', P'': Berührpunkt
y1, z2: Rotationsachse
F: Anpresskraft
H, V, A, B: Schwenkachse
C: Symmetrieachse

Claims

Prüfeinrichtung zur Ermittlung von Reibkraft und/oder Verschleiß von relativ zueinander bewegten Prüfkörpern, mit zumindest einem ersten und einem zweiten um eine jeweilige Rotationsachse (y1, z2) rotierbaren Prüfkörper (12, 14), dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfkörper derart (12, 14) zueinander angeordnet sind, dass sich eine Stirnfläche (16) des ersten Prüfkörpers (12) und eine Mantelfläche (18) des zweiten Prüfkörpers (14) in einem Berührpunkt (P) oder in einer Berührlinie berühren.
Prüfeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfkörper (12, 14) ferner derart zueinander ausgerichtet oder ausrichtbar sind, dass sich ihre Rotationsachsen (y1, z2) im Wesentlichen rechtwinklig kreuzen, jedoch nicht schneiden.
Prüfeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfkörper (12, 14) derart zueinander angeordnet sind, dass der Abstand der Rotationsachsen (y1, z2) zueinander veränderlich ist, insbesondere zwischen zwei Abstandswerten (P', P'') oszillierend.
Prüfeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfeinrichtung (10, 10') Verstellmittel (42, 80) aufweist, welche dazu ausgelegt sind, den zweiten Prüfkörper (14) senkrecht zu seiner Rotationsachse (z2) und parallel zu der Rotationsebene (x1–z1) des ersten Prüfkörpers (12) zu verschieben, bevorzugt im Wesentlichen linear.
Prüfeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellmittel (42, 80) dazu ausgelegt sind, den zweiten Prüfkörper (14) zwischen zwei Positionen (P', P'') oszillierend und insbesondere synchron zu seiner Winkelstellung zu verschieben.
Prüfeinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellmittel wenigstens ein Exzenterelement, insbesondere eine Kurvenscheibe (82), umfassen, welches bevorzugt gemeinsam mit dem zweiten Prüfkörper (14) auf einer Welle (24) angeordnet ist, welche die Rotationsachse (z2) des zweiten Prüfkörpers (14) und des Exzenterelements definiert, wobei insbesondere das Exzenterelement mit einem in Bezug auf den zweiten Prüfkörper (14) feststehenden Steuerabschnitt zusammenwirkt, um den zweiten Prüfkörper (14) zu verschieben.
Prüfeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfeinrichtung (10, 10') Antriebsmittel (26, 28) aufweist, welche dazu ausgelegt sind, die Prüfkörper (12, 14) um ihre jeweiligen Rotationsachsen (y1, z2) rotierend anzutreiben.
Prüfeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsmittel (26, 28) derart betreibbar sind, dass die Umlaufgeschwindigkeiten der Prüfkörper (12, 14) in dem Berührpunkt (P) oder in der Berührlinie unterschiedlich sind, wobei insbesondere die Winkelgeschwindigkeiten der Prüfkörper (12, 14) gleich sind oder sich um einen ganzzahligen Faktor voneinander unterscheiden.
Prüfeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Prüfkörper (12) scheibenförmig und der zweite Prüfkörper (14) zylinderförmig oder tonnenförmig ausgebildet ist.
Prüfeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Prüfkörper (12) parallel zu seiner Rotationsebene (x1–z1) versetzbar gelagert ist.
Prüfeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfeinrichtung (10, 10') Anpressmittel (48) aufweist, welche ausgelegt sind, die Prüfkörper (12, 14, 14') mit einer vorbestimmten Anpresskraft (F) aneinander zu pressen, wobei bevorzugt wenigstens eine Kraftmesseinrichung (62) zur Ermittlung der im Berührpunkt (P) oder in der Berührlinie der Prüfkörper (12, 14) wirksamen Anpresskraft (F) vorgesehen ist.
Prüfeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine den ersten Prüfkörper (12) tragende Welle (22) in einem Wellenlager (50) gelagert ist, wobei das Wellenlager (50) mittels einer kardanischen Lagerung gelagert ist, und wobei sich der Gelenkpunkt der kardanischen Lagerung bevorzugt auf einer durch den Berührpunkt (P) verlaufenden, zur Rotationsachse (y1) des ersten Prüfkörpers (12) parallelen Symmetrieachse (C) befindet.
Prüfeinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenlager (50) mit wenigstens einer Kraftmesseinrichung (64, 66) gekoppelt ist, welche zum Ermitteln von normal zur Rotationsachse (y1) der Welle (22) wirksamen Kräften ausgelegt ist.
Prüfeinrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenlager (50) parallel zu einer Horizontalebene versetzbar an der kardanischen Lagerung befestigt ist.
Prüfeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (18') des zweiten Prüfkörpers (14, 14') Ausnehmungen (92a, 92b) und/oder Freistellungen aufweist, welche bevorzugt derart angeordnet sind, dass der Umfang der Projektion des zweiten Prüfkörpers (14') in Richtung seiner Rotationsachse (z2) kreisförmig, nämlich frei von Ausnehmungen (92a, 92b) und/oder Freistellungen, ist.