DE102012003814A1 - Verfahren und Vorrichtung zur schnellen Tragbildprüfung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung dient der schnellen Tragbildprüfung von Zahnrädern. Hierfür wird vor dem Kontakt zweier Zahnflanken eine dieser Zahnflanken durch Energiezufuhr, beispielsweise mittels Strahlungsenergie, aktiv erwärmt. Beim Flankenkontakt wird ein Teil der eingebrachten Wärmeenergie im Tragbildbereich auf die zweite beteiligte Zahnflanke infolge von Wärmeleitung übertragen. Nach dem Flankenkontakt werden von mindestens einer der Flanken Infrarotbilder bzw. Temperaturbilder aufgenommen, in denen sich Kontaktbereiche, die im Wesentlichen den Tragbildern entsprechen, als Flächenanteile mit lokaler Erwärmung oder Abkühlung abzeichnen.

Description

• Der Erfindungsmeldung liegt die Aufgabe zugrunde, das Tragbild der Zahnflanken von Zahnrädern automatisierbar in einem weiten Drehzahl- und Lastbereich zerstörungsfrei und schnell zu messen, wobei der Messprozess keine nennenswerte Rückwirkung auf den Abwälzprozess und die Belastungsbedingungen haben darf.
• Als Tragbild einer Zahnflanke bezeichnet man nach DIN 3871 den beim Abwälzvorgang entstehenden Kontaktbereich mit einer Gegenflanke eines zweiten Zahnrades. Größe, Form und Lage sind für die Funktion, Geräuschentwicklung, Verschleißfestigkeit und Lebensdauer eines Getriebes entscheidend. Präzise Messverfahren sind demnach unverzichtbar, um eine hohe Zuverlässigkeit von Getrieben zu erreichen. Solche Messverfahren müssen in der Lage sein, das Tragbild unter beschiedenen Beanspruchungen (Last, Drehzahl) zu messen.
• Stand der Technik:
• Derzeit wird das Tragbild von Zahnflanken überwiegend mit Hilfe einer Paste ermittelt, welche auf eine Flanke aufgetragen und beim Abwälzvorgang abgerieben wird. Der Bereich ohne Paste entspricht dabei dem Tragbild der Zahnflanke. Dieses Verfahren ist in DE 10 2009 023 722 beschrieben.
• Ein weiteres Verfahren beruht darauf, die beim Abwälzvorgang durch Reibung und Pressung entstehende Wärme mit Hilfe von Infrarotsensoren zu messen. Dieses Verfahren ist in der Patentanmeldung DE 3638726 beschrieben sowie in den Dissertationen [Gra89] und [Neu95] wissenschaftlich untersucht worden.
• Nachteile/Probleme bestehender Verfahren:
• Nachteile der Pastenmethode sind u. a. die nicht gegebene Automatisierbarkeit und der entsprechend hoher Handhabungsaufwand. Darüber hinaus ist es nur sehr eingeschränkt möglich, das Tragbild eines individuellen Flankenkontakts zu messen, wenn die beteiligten Zahnräder ungleiche Anzahl von Zähnen aufweisen und die betrachtete Zahnflanke nacheinander mehrere (ggfs. sogar alle) Zahnflanken des zweiten Zahnrades kontaktiert. In diesem Fall verschmiert das Ergebnis zu einer Art ”Summentragbild” mit deutlich reduzierter Aussagekraft.
• Ein Nachteil der Thermographiemethode besteht darin, dass die bei einem individuellen Flankenkontakt entstehende Temperaturerhöhung so gering sein kann, dass auch hochempfindliche Wärmesensoren nicht mehr darauf ansprechen, so dass u. U. mehrere Umläufe erforderlich sind, um die Zahnflanken durch wiederholte Reibung und Pressung auf höhere Temperaturen zu erwärmen. Auch in diesem Fall wird bei ungleicher Zähnezahl der beteiligten Zahnräder nur ein Summentragbild ermittelt.
• Dieses Problem ist umso gravierender, je geringer die Last (weniger Wärmeproduktion) und je höher die Drehzahl (geringere verfügbare Messzeit, dadurch schlechtere Messempfindlichkeit) im Versuch ist.
• Zusätzlich verschmiert das Tragbild an jeder Zahnflanke durch Wärmeleitung umso mehr, je länger der Prüfvorgang dauert, so dass das dargestellte Tragbild größer ist als das tatsächliche. Zudem ist es möglich, dass durch das Verteilen der Wärme auf die beteiligten Zahnräder sich diese thermisch bedingt ausdehnen und dadurch die Prüfbedingungen verändern.
• Bisherige Lösungsversuche:
• Versuche, die genannten Probleme zu lösen, bestanden im Wesentlichen in der Steigerung der Empfindlichkeit und Messgeschwindigkeit der Infrarotkameras, z. B. durch den Einsatz von Zeilensensoren. Dieser Ansatz ist weitestgehend ausgereizt und aus diesem Grunde offenkundlich bislang nicht umgesetzt.
• In DE 3638726 wird vorgeschlagen, die Wärmeproduktion in der Kontaktzone durch ohmsche Wärme eines applizierten elektrischen Stroms zu erhöhen bzw. irgendwelche Festkörper und Flüssigkeiten in der Kontaktzone zu verwenden, die zusätzlich Wärme produzieren.
• Die zusätzliche Wärmeproduktion in der Kontaktzone durch Stromfluss ist jedoch sehr problematisch, da erstens wegen der guten Leitfähigkeit von metallischen Zahnrädern eine sehr hohe Stromdichte erforderlich ist, um eine nennenswerte Temperaturerhöhung zu ermöglichen- darüber hinaus muss mindestens eines der Zahnräder über eine elektrisch isolierte Lagerung verfügen, um einen Kurzschluss über die Lager zu vermeiden. Zudem kann eine schädigende Funkenbildung beim Schließen und Öffnen eines Flankenkontakts nicht ausgeschlossen werden.
• Hinsichtlich der erwähnten Festkörper und Flüssigkeiten liefert die Patentbeschreibung keine Aussage zur technischen Umsetzung, die offenbar bislang nicht erfolgt ist.
• Aufgabenstellung, die der Erfindung zugrunde liegt:
• Die der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabenstellung besteht darin, eine Methode bereitzustellen, welche in der Lage ist, schnell, berührungslos, zerstörungsfrei sowie insbesondere in einem weiten Drehzahl- und Lastbereich Tragbilder an Zahnflanken zu bestimmen. Die Methode soll einen geringen Handhabungsaufwand erfordern, automatisierbar sein und sowie dokumentierbare und wiederholbare Ergebnisse liefern.
• Technische Lösung:
• Bei der vorgeschlagenen technischen Lösung wird das Prinzip der lastabhängigen Erwärmung aufgegeben. Stattdessen wird ein photothermischer Ansatz verfolgt, welcher in drei Schritten vollzogen wird (1):
• Schritt 1: Zunächst wird eine (beliebige) Zahnflanke (”Flanke 1”) vor dem Eingriff aktiv erwärmt (vorzugsweise per Laserstrahlen, anderen energiereichen Strahlen oder auch durch Heißluft, Gasflammen, heißen Flüssigkeiten usw.). Diese Erwärmung kann in einem Schritt erfolgen oder in mehreren, indem z. B. eine Serie von Laser beim Vorbeilaufen einer ausgewählten Flanke Strahlungsenergie zum Erwärmen zuführt. Abhängig davon, in welcher Zeitspanne die Energiezufuhr erfolgt, kann die Eindringtiefe der Wärme eingestellt werden. Über die zugeführte Energiemenge lässt sich entsprechend das Ausmaß der Erwärmung einstellen.
• Schritt 2: Nach erfolgter Aufheizung dieser Flanke erfolgt schließlich der Kontakt mit einer Zahnflanke (”Flanke 2”) des zweiten Zahnrades. Hierbei geht ein Teil der Wärmeenergie der in Schritt 1 erwärmten Zahnflanke durch Wärmeleitung auf die andere Zahnflanke über, und zwar auf der Fläche, die dem Tragbild des individuellen Zahnpaares entspricht.
• Schritt 3: Das Tragbild lässt sich mm durch den infolge des Kontakts abgekühlten Flächenanteil der ersten Zahnflanke bzw. durch den erwärmten Anteil der zweiten Flanke mittels Thermographie darstellen.
• Im Detail werden sich nach einem Flankenkontakt im Tragbildbereich näherungsweise folgende Temperaturen ergeben (2): T₁ ≈ T_U + T_L + T_W – T_K Flanke 1 T₂ ≈ T_U + T_W + T_K Flanke 2
• Hierbei sind

T_U

= Umgebungstemperatur

T_L

= Temperaturänderung durch künstlich eingebrachte Wärme (z. B. Laserbestrahlung)

T_W

= Temperturänderung durch Lasteinwirkung (Reibung, Pressung)

T_K

= Temperaturänderung durch Wärmeübergang von Zahnflanke 1 auf Zahnflanke 2

• Für die Analyse des Tragbildes stehen praktisch beide Flanken zur Verfügung.
• Im ungünstigsten Fall beträgt die Änderung der Oberflächentemperatur im Tragbildbereich der Flanke 1 infolge des Kontakts: ΔT₁ ≈ T_w – T_k = 0, weil die Abkühlung durch Wärmeleitung durch die Erwärmung infolge Reibung/Pressung kompensiert wird. In diesem Fall wäre eine Tragbildbestimmung an dieser Flanke nicht möglich. Bei entsprechend erhöhter Laserleistung wird aber T_k die Größe T_w übertreffen und sich ein hinreichender Kontrast einstellen. Auf jeden Fall kommt es aber an der zweiten Flanke zu einer Verbesserung des Messeffekts, da sich T_W und T_K aufaddieren: ΔT₂ ≈ T_w – T_k ≠ 0.
• Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass die Höhe des Messeffekts einstellbar ist, wodurch die Temperaturmessung mit den heute verfügbaren Infrarotsensoren und IR-Kameras erfolgen kann. Das Verfahren lässt sich durch eine Rastermethode noch modifizieren, indem die zur Verfügung stehende Energiezufuhr nicht die gesamte zu untersuchende Zahnflanke, sondern nur Teile davon erwärmt. Wenn dieselbe Zahnflanke wieder mit der gleichen Gegenflanke kontaktiert, erfolgt die Bestrahlung mit einem örtlichen Versatz. Das Tragbild dieser Flanke entsteht dann durch Zusammenfügen der Bildelemente aus mehreren Durchläufen. Bei dieser Methode lässt sich anstelle einer Thermographiekamera auch ein Einzelelement-Infrarotsensor verwenden, da er nicht mehr die gesamte Zahnflanke betrachten muss, sondern nur den aktuellen Flächenausschnitt der Zahnradflanke. Das Tragbild eines ganzen Zahnrades wird schließlich ermittelt, indem die beschriebene Prozedur auf jede einzelne Flanke angewandt wird.
• Wesentliche Neuerung der Erfindung:
• Die wesentliche Neuerung besteht in der nahezu unbegrenzten Einstellbarkeit des Messkontrastes, da leistungsfähige Anregungsquellen, beispielsweise in Form von Laserquellen, kommerziell erhältlich sind.
• Vorteile:
• Der Vorteil der Methode besteht in dem deutlich verbesserten Messeffekt, der Messungen in einem erweiterten Drehzahl- und Lastbereich ermöglicht. Dies gestattet es auch, individuelle Zahnpaarungen zu untersuchen (beispielsweise Zahnrad 1, Zahnflanke 5 in Kontakt mit Zahnrad 2, Zahnflanke 3 usw.). Ein nennenswertes Verschmieren des Messeffekts tritt nicht auf, ebenso keine wesentliche thermische Ausdehnung des Zahnrades oder der Zahnflanken, weil die Eindringtiefe der Wärme über die Bestrahldauer auf eine sehr oberflächennahe Zone begrenzt werden kann.
• Literatur:
• [1]: J. Grabscheid: Entwicklung einer Kegelrad-Laufprüfmaschine mit thermographischer Tragbilderfassung. Dissertation. Stuttgart 1989.
• [2]: G. Neumann: Thermographische Tragbilderfassung an rotierenden Zahnrädern. Dissertation. Stuttgart 1995.
• – DE 10 2009 023 722
• – DE 3638726
• 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 102009023722 [0003]
• DE 3638726 [0004, 0010]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• DIN 3871 [0002]

Claims (8)

1. Verfahren und Vorrichtung zur zerstörungsfreien Analyse von Tragbildern der Zahnflanken von Zahnrädern, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zahnflanke eines Zahnrades durch die Zufuhr von Energie erwärmt wird und ein Teil dieser Energie bei einem Kontakt mit einer Flanke eines anderen Zahnrades auf diese übertragen wird, so dass sich die zuvor erwärmte Zahnflanke im Kontaktbereich wieder abkühlt und die kontaktierte Flanke des zweiten Zahnrades im Kontaktbereich durch den Wärmeübertrag erwärmt, wobei nach dem Kontakt vorzugsweise mit Hilfe einer Infrarotkamera von einer oder beiden Zahnflanken Infrarot- bzw. Temperaturbilder aufgenommen werden, in denen sich die Kontaktbereiche, welche im Wesentlichen den gesuchten Tragbildern entsprechen, als Flächenanteile mit lokaler Abkühlung oder Erwärmung abzeichnen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieeintrag durch elektromagnetische Strahlung oder einen Kontakt mit heißen Flüssigkeiten oder Gasenbeispielsweise in Form von Gasflammen- erfolgt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie zum Erwärmen einer Zahnflanke durch eine einzelne Energiequelle oder sukzessiv durch mehrere, entlang dem Umfang eines der beteiligten Zahnräder verteilte Energiequellen eingetragen wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausmaß der Temperaturänderung auf der angeregten Zahnflanke durch die Intensität der Energiequellen (z. B. Strahlungsleistung, Temperatur der zum Erwärmen verwendeten Flüssigkeiten oder Gase) wählbar ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiefenbereich unter der Oberfläche der angeregten Zahnflanke, welcher nennenswert erwärmt ist, durch die Dauer der Energiezufuhr eingestellt wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiezufuhr vor einem Flankenkontakt sich auf einen Teilbereich einer Zahnflanke beschränkt, so dass die zur Verfügung stehende Energie lokal zu einem noch höheren Temperaturanstieg führt, wodurch der Messkontrast gesteigert wird. Die Detektion der Temperatur der angeregten Zahnflanke kann sich dann ebenfalls auf diesen Flächenbereich beschränken und beispielsweise mit einem Einzelelement-IR-Sensor oder einer IR-Zeilenkamera durchgeführt werden. Die Möglichkeit, den Detektionsbereich einzuschränken gilt entsprechend auch für die komplementäre Fläche der zweiten beteiligten Zahnflanke.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden wiederholten Kontakt der erwärmten Zahnflanke mit einer bestimmten Zahnflanke des zweiten Zahnrades der Ort der Energiezufuhr gegenüber den zuvor thermisch angeregten Orten versetzt ist, bis der interessante Flächenanteil der Zahnflanke nach einer Reihe von Flankenkontakten sukzessive vollständig mit Energie beaufschlagt wurde und sich das Tragbild ergibt, indem die bei mehreren Durchlaufen an den einzelnen Flächenanteilen gemessenen IR-Signale bzw. Temperaturen zu einem Gesamtbild zusammengesetzt werden.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gemäß Anspruch 1 erzielte Messeffekt von den an den Zahnflanken bei hoher Last infolge Reibung und Pressung auftretenden lokalen Temperaturerhöhungen überlagert wird, so dass der Messkontrast zumindest an der zweiten Zahnflanke (welcher von außen keine Energie zugeführt wird) gesteigert wird.

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