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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Montieren eines Ausgleichsgetriebes für ein Hinterachsgetriebe nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Zur Montage von Ausgleichsgetrieben werden diese in ein Hinterachsgetriebegehäuse eingesetzt und in entsprechenden Lagerschalen aufgenommen. Um Fertigungstoleranzen auszugleichen, werden zum Sichern des Ausgleichsgetriebes Sicherungsringe unterschiedlicher Dicke vorgehalten. Nach Vermessung des Getriebes werden Sicherungsringe geeigneter Stärke ausgewählt und das Hinterachsgetriebe damit gesichert.
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Zur besonders prozesssicheren und schnellen Montage ist es bekannt, sogenannte kraftsensitive Leichtbauroboter zu verwenden. Derartige Roboter weisen Kraft- und/oder Wegsensoren auf, mittels welcher auf die Greifwerkzeuge der Roboter wirkende Kräfte bzw. Verschiebungen gemessen werden können. Da solche Messungen sehr genau durchgeführt werden können, können solche Roboter über die eigentliche Montage hinaus auch Messaufgaben an den montierten Komponenten durchführen. Bei der Montage von Hinterachsgetrieben ist es dabei üblich, mittels solcher Roboter Verdrehspiel und Gehäusespreizung zu messen und auf Grundlage dieser Daten anschließend geeignete Sicherungsringe auszuwählen.
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Neben diesen Parametern existieren jedoch noch weitere Einflussgrößen, die die Geometrie des Hinterachsgetriebes bestimmen. Werden diese bei der Montage nicht berücksichtigt, so kann es aufgrund der resultierenden Toleranzen zu erhöhtem Verschleiß des Getriebes kommen. Eine Berücksichtigung dieser Größen führt andererseits zu einem deutlich erhöhten Fertigungsaufwand und damit zu deutlich erhöhten Herstellungskosten, da für entsprechende Messungen eigene Arbeitsstationen in der Fertigungslinie vorgesehen werden müssen und sich die Herstellungszeit entsprechend erhöht.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bereitzustellen, mittels welchem eine besonders schnelle, kostengünstige und gleichzeitig besonders maßgenaue Montage von Ausgleichsgetrieben ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Bei einem solchen Verfahren zum Montieren eines Ausgleichsgetriebes für ein Hinterachsgetriebe findet wenigstens ein von einem jeweiligen Roboter geführtes Werkzeug mit einem jeweiligen Kraft- und/oder Wegsensor Anwendung. Zunächst wird das Ausgleichsgetriebe in ein Hinterachsgetriebegehäuse eingesetzt und anschließend Lagerschalen am Hinterachsgetriebegehäuse montiert. Mittels des wenigstens einen Werkzeugs werden ein Verdrehspiel und/oder eine Gehäusespreizung gemessen, um so die Toleranzen des Getriebes zu bestimmen.
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Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass mittels des wenigstens einen Werkzeugs wenigstens ein weiterer, das Hinterachsgetriebe charakterisierender Parameter gemessen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit eine besonders genaue Charakterisierung des montierten Hinterachsgetriebes und damit eine besonders toleranzarme und maßgenaue Fertigung. Gleichzeitig kann durch die Verwendung der kraftsensitiven Leichtbauroboter für die zusätzlichen Messaufgaben auf weitere Arbeitsstationen verzichtet werden. Das Verfahren ist daher auch besonders schnell und kostengünstig durchzuführen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens charakterisiert der wenigstens eine weitere Parameter eine Relativlage von Ausgleichsgetriebe und Hinterachsgetriebegehäuse, bei welcher ein Zahnrad des Ausgleichsgetriebes und ein Zahnrad des Hinterachsgetriebes verblocken. Eine zuverlässige Erkennung der Verblockung ist essentiell für das spätere Einstellen eines vorgegebenen Spiels zwischen den Zahnrädern und damit für alle weiteren Messungen an dem Ausgleichsgetriebe. Fehlerkennungen – beispielsweise aufgrund einer Verkantung der Zahnräder – führen in allen nachgelagerten Messschritten zu Fehlern, so dass durch eine zuverlässige Verblockungserkennung die Prozesssicherheit des Verfahrens besonders stark erhöht wird.
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Es ist hierbei zweckmäßig, wenn zum Erkennen der Verblockung das Hinterachsgetriebegehäuse mit den Lagerschalen vorgespannt und bezüglich seiner Axialrichtung beidseitig von zwei Werkzeugen gehalten und mittels der Werkzeuge auf das Zahnrad des Hinterachsgetriebes zu bewegt wird, wobei eine Differenz der von den jeweiligen Kraftsensoren der Werkzeuge gemessenen Kräfte bestimmt und die Verblockung erkannt wird, sobald die Differenz einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt. Dies ermöglicht eine besonders zuverlässige Erkennung der Verblockung.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform charakterisiert der wenigstens eine weitere Parameter eine Planlauftoleranz wenigstens eines Zahnrads des Hinterachsgetriebes. Mit anderen Worten wird hierdurch die Maßtoleranz des wenigstens einen Zahnrades über eine komplette Umdrehung hinweg bestimmt. Dies ermöglicht eine besonders genaue Einstellung des Getriebes, da die hierzu bestimmten Parameter nicht mehr von der zufälligen Relativlage der Zahnräder zueinander beeinflusst werden.
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Vorzugsweise wird hierzu das Kegelrad des Hinterachsgetriebes in Eingriff mit dem Tellerrad des Ausgleichsgetriebes gebracht und mittels des Werkzeugs zumindest einmal rotiert, wobei mittels des Werkzeugs die für die Rotation aufzuwendende Kraft als Kraftverlauf über die vollständige Rotation gemessen wird. Auch diese Messung kann also ohne die Notwendigkeit zusätzlicher Werkzeuge oder Messstationen durchgeführt werden, so dass eine besonders kostengünstige Verfahrensdurchführung ermöglicht wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung charakterisiert der wenigstens eine weitere Parameter eine Asymmetrie der Verformung des Hinterachsgetriebes bei einer vorgegebenen Vorspannkraft zwischen Ausgleichsgetriebe und Hinterachsgetriebegehäuse. Neben den statischen Toleranzen aufgrund der Formvariabilität der beteiligten Komponenten werden somit auch dynamische Toleranzen aufgrund kraftbedingter Verformungen des Getriebes mit in den Montageprozess einbezogen. Hierdurch wird eine besonders genaue Toleranzkorrektur ermöglicht.
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Zweckmäßigerweise wird zur Bestimmung der Asymmetrie die Position des Ausgleichsgetriebes bei Verblockung für zwei vorgegebene Vorspannkräfte gemessen und die Asymmetrie durch die Positionsdifferenz charakterisiert. Durch die Messung bei zwei unterschiedlichen Vorspannkräften kann ein Modell für den Verlauf der kraftabhängigen Verformung erstellt werden, welches die Interpolation des Verformungsgrades für weitere, unterschiedliche Kraftbeaufschlagungen ermöglicht. Auch hier kann auf die Verwendung zusätzlicher Werkzeuge oder Arbeitsstationen verzichtet werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung charakterisiert der wenigstens eine weitere Parameter ein Setzverhalten zumindest eines Lagers des Hinterachsgetriebes bei einer vorgegebenen Vorspannkraft zwischen Ausgleichsgetriebe und Hinterachsgetriebegehäuse. Hierdurch wird ein weiterer dynamischer Parameter in die Toleranzbestimmung eingeführt, so dass das Getriebe besonders gut an auftretende Betriebsbelastungen angepasst werden kann.
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Vorzugsweise wird zur Bestimmung des Setzverhaltens das Ausgleichsgetriebe auf Seite des Lagers mittels eines ersten Werkzeugs abgestützt und auf der axial bzgl. des Ausgleichsgetriebes dem Lager gegenüberliegenden Seite mittels eines zweiten Werkzeugs mit einer vorgegebenen Kraft beaufschlagt, wobei mittels des ersten Werkzeugs eine Positionsänderung des Ausgleichsgetriebes bei Kraftbeaufschlagung gemessen wird. Mit anderen Worten dient eines der robotisch geführten Werkzeuge zum Simulieren einer Belastung des Lagers, während mit dem anderen Werkzeug die Reaktion des Lagers auf diese Belastung gemessen wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Kraftbeaufschlagung des Ausgleichsgetriebes durch ein Werkzeug unter Umgehung der Lagerschalen mittels eines mit dem Ausgleichsgetriebe verbundenen Adapters erfolgt, auf welchen mittels des Werkzeugs die Kraft ausgeübt wird. Die Verwendung des Adapters ermöglicht es, die gesamte eingeleitete Kraft auf das Ausgleichsgetriebe zu übertragen, ohne dass ein Kraftanteil für die Aufweitung der Lagerschalen verloren geht. Dies ermöglicht besonders genaue Messungen, da die auf das Ausgleichsgetriebe wirkenden Kräfte somit exakt bestimmt werden können.
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Die geschilderten Aspekte der Erfindung können besonders zweckmäßig in einen gemeinsamen Montageprozess für das Ausgleichsgetriebe integriert werden. Es ist jedoch auch möglich, die einzelnen Aspekte jeweils für sich allein zur Anwendung zu bringen.
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Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine teilangeschnittene perspektivische Ansicht eines Hinterachsgetriebes für einen Kraftwagen,
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2 eine Detailansicht eines Lagerbereichs des Hinterachsgetriebes gemäß 1,
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3 eine Montagestation zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
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4 eine perspektivische Darstellung eines robotisch geführten Werkzeugs zur Verwendung in der Arbeitsstation gemäß 3,
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5 ein Kraft-Zeit-Diagramm, anhand dessen im Rahmen eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Verblockung zwischen Tellerrad und Kegelrad des Hinterachsgetriebes gemäß 1 ermittelt wird,
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6 ein Kraft-Zeit-Diagramm anhand dessen im Rahmen eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens die Planlauftoleranz der Zahnräder des Hinterachsgetriebes gemäß 1 ermittelt wird,
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7 eine schematische Darstellung der Handhabung eines Hinterachsgetriebes gemäß 1 bei der Ermittlung des Lagersetzverhaltens im Rahmen eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ein im Ganzen mit 10 bezeichnetes Hinterachsgetriebe für einen Kraftwagen umfasst ein Ausgleichsgetriebe 12, welches in einem Hinterachsgetriebegehäuse 14 aufgenommen ist. Über ein Tellerrad 16 steht das Ausgleichsgetriebe 12 mit einem Kegelrad 18 des Hinterachsgetriebes 10 in Wirkverbindung. Im Betrieb ist das Hinterachsgetriebe 10 über einen Gelenkflansch 20 mit der Kardanwelle des Kraftwagens gekoppelt. Die Antriebskraft wird über das Kegelrad 18 und Tellerrad 16 auf das Ausgleichsgetriebe 12 übertragen und von diesem auf Abtriebswellen 22 und letztendlich auf die Räder der Hinterachse übertragen.
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Auf das Ausgleichsgetriebe sind Kegelrollenlager 24 aufgepresst, die mit Lagerschalen 26 des Getriebegehäuses 14 in Wirkverbindung stehen. In einer Aufnahmenut 28 sind Sicherungsringe 30 zum Sichern der Lager 24 eingesetzt. Die Sicherungsringe 30 dienen dabei gleichzeitig dem Toleranzausgleich. Sie müssen so dimensioniert werden, dass für das einzelne Hinterachsgetriebe 10 eine definierte Vorspannkraft sowie ein definiertes Zahnflankenspiel zwischen Kegelrad 18 und Tellerrad 16 zuverlässig eingestellt wird. Nach dem dazu erfolgten Vermessen des Getriebes 10 werden Sicherungsringe 30 entsprechender Dicke ausgewählt, um beidseitig die jeweils gemessenen Toleranzen zu kompensieren.
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3 zeigt eine Arbeitsstation 32 zum Montieren und Vermessen des Hinterachsgetriebes 10. Die Arbeitsstation umfasst einen Tisch 34 mit einer Halterung 36, in der das Hinterachsgetriebe 10 an seinem Gehäuse 14 gehalten ist. Zwei kraftsensitive Leichtbauroboter 38 dienen dem Einsetzen, Montieren und Vermessen des Ausgleichsgetriebes 12 in das Hinterachsgetriebegehäuse 14, Die Roboter 38 umfassen eine Mehrzahl von Achsen 40, 42, 44, 46, wobei die terminale Achse 46 ein Werkzeug 48 trägt. Das Werkzeug 48 ist dazu ausgelegt, das Ausgleichsgetriebe im Bereich der Abtriebsachsen 22 zu handhaben und kann über eine Schnellkupplung 50 mit einer Werkzeugaufnahme der Achse 46 gekoppelt werden. Eine Hülse 52 dient zur Handhabung des Ausgleichsgetriebes 12. Diese ist über Spindeln 54 verschiebbar und rotierbar mit einem Grundkörper 56 des Werkzeugs 48 gekoppelt. Das Werkzeug 48 verfügt ferner über Kraft- und Wegsensoren, mittels welchen auf die Hülse 52 wirkende Kräfte sowie die Position der Hülse 52 bestimmt werden können. Ein solches Werkzeug ermöglicht neben der Manipulation des Ausgleichsgetriebes 12 auch die Durchführung einer Vielzahl von Messungen am Hinterachsgetriebe 10.
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Bei bisher bekannten klassischen Arbeitsstationen zur Getriebe-Montage erfolgt die Handhabung des Getriebes 10 an den zwei bei den beiden Abtriebachsen 22 liegenden Angriffspunkten über eine gemeinsame Vorrichtung, beispielsweise über ein C-Gestell, was eine mechanische und kräftemäßige Kopplung beider Angriffspunkte mit sich bringt. Die gezeigte Arbeitsstation 32 bietet im Vergleich dazu den immensen Vorteil, dass über die beiden separaten Leichtbauroboter 38 an beiden Achsen 22 die Krafteinleitung und das Verfahren von Wegen vollständig voneinander entkoppelt stattfinden kann. Auf diese Weise wird eine gegenseitige Beeinflussung beider Angriffspunkte, die bei den geringen Toleranzen, die im Mikrometerbereich liegen, durchaus einen Effekt haben kann, vermieden.
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Nach dem Einsetzen des Ausgleichsgetriebes 12 und dem Einpressen der Lagerschalen 26 in des Getriebegehäuse 14 durch die Roboter 38 werden solche Messungen zur Bestimmung der Toleranzen im Hinterachsgetriebe 10 durchgeführt, um die Auswahl der korrekt dimensionierten Sicherungsringe 30 zu ermöglichen. Hierzu ist es zunächst erforderlich, eine exakte Relativposition zwischen den Zahnrädern 16, 18 des Hinterachsgetriebes einzustellen. Als Referenz dient dabei diejenige Position, an der die Zahnräder 16, 18 verblocken. Hierbei gilt es zu vermeiden, dass die Zahnräder 16, 18 miteinander oder mit anderen Bauteilen verkeilen, da dies zur Bestimmung einer falschen Referenzposition führen würde.
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Zum Bestimmen der Verblockungsposition wird zunächst das Ausgleichsgetriebe 12 auf Seiten der jeweiligen Abtriebsachsen 22 mittels der Werkzeuge 48 der beiden Roboter 38 ergriffen und axial bezüglich der Abtriebsachsen 22 so bewegt, dass sich das Tellerrad 16 auf das Kegelrad 18 zu bewegt. Der hierbei auftretende Kraftverlauf ist in 5 dargestellt. Während der Bewegung werden die auf die beiden Werkzeuge 48 an beiden Seiten der jeweiligen Abtriebsachsen 22 wirkenden Kräfte gemessen und verglichen. Bewegt sich das Ausgleichsgetriebe 12 frei, so wirken die von einem Werkzeug 48 aufgebrachten Kräfte identisch auf das andere Werkzeug. Sobald die Zahnräder 16, 18 jedoch verblocken, so muss ein Werkzeug eine verstärkte Kraft aufbringen, um die auf das andere Werkzeug wirkende Kraft konstant zu halten, da ein Teil der auf das Ausgleichsgetriebe 12 wirkende Kraft durch das Kegelrad 18 abgestützt wird. Durch diese Abweichung zwischen den auf die Werkzeuge 48 wirkenden Kräfte wird die Verblockung zuverlässig erkannt.
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Nach dem Bestimmen der Verblockungsposition wird das Ausgleichsgetriebe 12 wieder so weit vom Kegelrad 18 wegbewegt, dass das geforderte Zahnflankenspiel zwischen den Zahnrädern 16, 18 eingestellt wird. Dies entspricht jedoch noch nicht dem tatsächlichen Zahnflankenspiel, da hierbei weitere Toleranzen des Hinterachsgetriebes 10 noch nicht berücksichtigt sind.
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Als nächster Schritt wird daher die Planlauftoleranz der Zahnräder 16, 18 vermessen. Hierzu wird mittels eines der Werkzeuge 48 eine vollständige Rotation des Ausgleichsgetriebes 12 durchgeführt, während mittels des anderen Werkzeugs 48 die wirkenden Kräfte gemessen werden. Die entsprechenden Weg-Zeit- und Kraft-Zeit-Diagramme sind in 6 gezeigt. Aus der über eine vollständige Umdrehung gemessenen Kraft F1 wird schließlich der Mittelwert gebildet und zur Bestimmung der Planlauftoleranz verwendet. Während der Messung wird die Vorspannkraft F2 konstant gehalten.
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Ein weiterer wichtiger toleranzbestimmender Parameter ist das asymmetrische Verformungsverhalten des Gehäuses 10. Zur Messung dieser Größe wird das Ausgleichsgetriebe 12 zunächst mit einer ersten Kraft vorgespannt und die Blockposition wie oben geschildert bestimmt. Anschließend wird die Vorspannkraft auf einen höheren Wert gesteigert und wiederum die Position des Ausgleichsgetriebes 12 bestimmt, bei welcher Verblockung der Zahnräder 16, 18 eintritt. Die Lagedifferenz zwischen den beiden Positionen kann als Maß für die asymmetrische Verformung des Gehäuses 10 verwendet werden.
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Um schließlich das Setzverhalten der Lager 24 zu bestimmen, wird das Ausgleichsgetriebe 12 auf Seiten einer der Abtriebsachsen 22 über einen Adapter 58 mittels eines der Werkzeuge 48 mit einer Kraft F beaufschlagt, wie in 7a gezeigt. Die Verwendung eines solchen Adapters bietet sich auch für die anderen geschilderten Verfahrensschritte an, da derart die Kraft F vollständig in das Ausgleichsgetriebe 12 eingeleitet werden kann, ohne dass ein Kraftanteil für die Aufweitung der Lager 24 verloren geht. Auf Seiten der gegenüberliegenden Abtriebsachse 22 wird mittels des zweiten Werkzeugs die resultierende Verschiebung des Ausgleichsgetriebes 12 aufgrund des Setzverhaltens der Lager 24 gemessen. Anschließend werden, wie in 7b gezeigt die Seiten vertauscht, und die Messung wird erneut durchgeführt. Dies ermöglicht die Bestimmung des Setzverhaltens unter realistischen Vorspannkräften.
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Aus allen wie beschrieben gemessenen Parametern kann schließlich ein gemeinsames Maß für die Toleranzen des Getriebes 10 ermittelt werden und anhand dieses Maßes eine geeignete Auswahl der Sicherungsringe 30 getroffen werden. Da die Toleranzen im montierten Zustand der Komponenten bestimmt wurden, ergibt sich so eine besonders maßhaltige Anordnung der Getriebekomponenten auch unter den Betriebsbedingungen des Getriebes 10, so dass die Komponenten besonders gut zusammenwirken und Verschleiß vermieden wird.
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Weiterhin wird für jedes einzelne montierte Getriebe 10 direkt bei der Montage das reale Maß der im Zusammenbau auftretenden Toleranzen individuell bestimmt, so dass eine hohe Montagequalität über eine komplette Serie von montierten Getrieben 10 gewährleistet werden kann. Die Zahl der falsch oder schlecht montierten und bei einer nachträglichen Kontrolle auszusondernden Getriebe 10 wird drastisch reduziert.
