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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Prüfung eines Kugelgewindetriebs mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Bei Kraftfahrzeuglenkungen werden die herkömmlichen hydraulischen Servolenkungen zunehmend durch elektromechanische Servolenkungen ersetzt. Eine Bauart dieser elektromechanischen Servolenkungen sieht vor, dass eine Zahnstange neben der üblichen Ritzelverzahnung auch mit einem Schraubengewinde versehen ist, auf dem ein Kugelumlauf läuft. Dieser Kugelumlauf wird im Betrieb von einem elektrischen Servomotor angetrieben und bewirkt eine Hilfskraft in Axialrichtung der Zahnstange.
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Bei dieser Anwendung werden besonders hohe Anforderungen an das Geräuschverhalten des Kugelgewindetriebs, an dessen Tragfähigkeit und seine Lebensdauer gestellt. Gleichzeitig sollen die Fertigungskosten gering gehalten werden.
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Die Qualität des Getriebes wird neben den verwendeten Materialien insbesondere auch durch die Präzision der Bearbeitungsprozesse bestimmt. Maßgebliche Faktoren sind hier das Axialspiel des Kugelgewindetriebs sowie das Kippspiel. Zur Prüfung eines einzelnen Kugelgewindetriebs wird derzeit eine statische Messung des Spiels an einer oder mehreren Stellen des Kugelgewindetriebs mit einer definierten Kraft vorgenommen. Das Spiel wird dabei je nach Prüfmethode durch Weg- oder Winkelmessungen aufgenommen.
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Für die Prüfung von Stirnrädergetrieben ist es aus der Offenlegungsschrift
WO 2004/034010 A1 bekannt, bei zwei über einen Verzahnungseingriff miteinander in Verbindung stehenden Wellen die Wellen mit Winkelaufnehmern zu versehen und das Getriebe einmal schiebend und einmal ziehend in Betrieb zu setzen, bis jeder Zahn des einen Getrieberades mit jedem Zahn des zweiten Getrieberades in Kontakt gekommen ist. Über die Datenaufnahme der Drehwinkelsensoren ist dann das Zahnflankenspiel jedes möglichen mechanischen Kontakts der Zahnflanken auswertbar. Axialspielmessungen sind hierbei nicht vorgesehen.
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Ein Messverfahren für das Axialspiel eines Elektromotors ist aus der Offenlegungsschrift
DE 103 16 940 A9 bekannt. Hierbei wird die Position eines Rotors des Elektromotors mit einem Abstandssensor erfasst und der Rotor durch Druckluft jeweils in eine der beiden Endlagen des Axialspiels gedrängt. Der Abstandsensor ermittelt dabei die Differenz der Endlagenpositionen und hieraus das Axialspiel der Lagerung. Ein Getriebespiel in mehreren Positionen wird nicht erfasst.
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Aus der
DE 10 2009 060 528 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur dynamischen Messung des Axialspiels eines Kugelgewindetriebs über den gesamten Arbeitshub bekannt. Eine Messung des Kippspiels ist nicht offenbart.
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Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung des Getriebespiels eines Kugelgewindetriebs anzugeben, mit dem das Kippspiel dynamisch über den gesamten Bewegungsbereich des Getriebes ermittelt werden kann.
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Weil die Prüfvorrichtung einen Rahmen mit einer Aufnahme für die Halterung der Spindel, eine Halterung für die Kugelmutter, wenigstens einen Wegaufnehmer oder Kippwinkelaufnehmer für die Messung der relativen Position der Spindel zu der Kugelmutter in Richtung einer z-Achse, wenigstens einen Drehwinkelaufnehmer für die Messung der rotatorischen Position der Kugelmutter und/oder der Spindel, Vorspannmittel zur Erzeugung eines Kippmoments der Kugelmutter gegen die Spindel als Drehmoment um eine Drehachse, die normal zu der z-Achse ausgerichtet ist, sowie wenigstens ein Antriebsmittel zur Drehung der Kugelmutter und/oder der Spindel um die z-Achse im Betrieb aufweist, kann über den gesamten Verfahrweg des Kugelgewindetriebs der Kippwinkel in Abhängigkeit von der axialen Position und von dem Drehwinkel aufgezeichnet werden, und zwar in beiden in der Praxis auftretenden Lastrichtungen. Es ergibt sich folglich die vollständige Information über das Kippspiel des Kugelgewindetriebs in jeder möglichen Position und in beiden Lastrichtungen.
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Wenn die Halterung der Spindel einerseits eine drehbar gelagerte Aufnahme und andererseits eine antriebsmäßig mit dem Antriebsmittel gekoppelte Aufnahme aufweist, kann die Spindel zwischen diesen beiden Aufnahmen eingespannt werden und von dem Antriebsmittel in Drehung versetzt werden. Die Kugelmutter dreht sich bei dieser Ausführung nicht. Wenn die drehbar gelagerte Aufnahme der Halterung ein Führungsdorn ist, kann in besonders einfacher Weise eine als zahnstangenartiges Getriebeelement ausgebildete Spindel einer Kraftfahrzeuglenkung aufgespannt werden. Vorzugsweise ist der Führungsdorn mit dem Drehwinkelaufnehmer gekoppelt und gegenüber dem Antriebsmittel angeordnet.
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Die Halterung der Kugelmutter weist bevorzugt einen Spanntopf auf, der die Kugelmutter fest einspannt, wobei der Spanntopf gegenüber der Halterung in Richtung der z-Achse fixiert, jedoch winkelbeweglich gegenüber der z-Achse gelagert ist. Besonders vorteilhaft ist eine kardanische Lagerung. Die dadurch gegebene Winkelbeweglichkeit erlaubt der Kugelmutter eine Taumelbewegung um die z-Achse zum Ausgleich von Fluchtungsfehlern zwischen der Achse der Kugelmutter und der Achse der Spindel. Außerdem kann im Rahmen dieser Winkelbeweglichkeit das oben beschriebene Kippmoment auf die Kugelmutter aufgeprägt werden.
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Das Vorspannmittel bewirkt eine Vorspannung der Kugelmutter mit einem Drehmoment um eine normal zu der Richtung der z-Achse orientierte Drehachse, und zwar wahlweise sowohl in positiver als auch in negativer Drehrichtung, also bei gleicher Betrachtungsrichtung einmal im Uhrzeigersinn und einmal gegen den Uhrzeigersinn, bevorzugt in wenigstens zwei Messdurchgängen jeweils in eine Vorspannrichtung. Das Vorspannmittel weist vorzugsweise einen Antrieb und ein zwischen dem Antrieb und dem Spindeltrieb eingeschaltetes Federmittel auf. Das Federmittel baut das Drehmoment oder Kippmoment auf, während der Antrieb die Vorspannung über den Verfahrweg der Kugelmutter bei einer Messung nachführt.
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Besonders günstige Messverhältnisse ergeben sich, wenn die Halterung der Kugelmutter mit dem wenigstens einen Wegaufnehmer und dem Vorspannmittel gekoppelt ist. Vorzugsweise sind zwei Wegaufnehmer vorgesehen, die mit der Halterung oder dem Spanntopf verbunden sind und die sich bezüglich der z-Achse etwa gegenüber liegen. Eine Taumelbewegung der Kugelmutter führt zu einer Überlagerung des Signals eines Wegaufnehmers mit der Taumelbewegung. Wenn zwei Wegaufnehmer vorgesehen sind, können derartige Überlagerungen rechnerisch eliminiert werden.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Prüfung eines Kugelgewindetriebs vorgeschlagen, bei dem folgende Schritte vorgesehen sind:
- Einspannen der Kugelmutter in eine Halterung, Einspannen der Spindel in eine Halterung, die eine antriebslos drehbare und eine antreibbare Aufnahme umfasst, Vorspannen der Kugelmutter mit einem Drehmoment um eine Drehachse, die normal zu der z-Richtung der Spindel orientiert ist, Verfahren der Kugelmutter gegenüber der Spindel durch angetriebene Rotation der Kugelmutter oder der Spindel um die z-Achse unter Aufrechterhaltung der Vorspannung sowie Aufnehmen des Kippwinkels der Kugelmutter gegenüber der z-Achse, Aufnehmen der Position der Kugelmutter relativ zu der Spindel in z-Richtung und/oder gleichzeitiges Aufnehmen der relativen Winkelposition, dann umkehren der Vorspannung und erneutes Aufzeichnen des Kippwinkels in Abhängigkeit von der Axialposition. Auf diese Weise kann beispielsweise durch Differenzbildung zwischen den gemessenen Kippwinkeln in der ersten und in der zweiten Vorspannrichtung das Kippspiel des Kugelgewindetriebs über die gesamte nutzbare Länge ermittelt werden.
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Vorzugsweise wird bei dem Verfahren die Spindel in Rotation versetzt während die Kugelmutter drehfest gehalten ist. Der mit Kugelgewinde versehene Teil der Spindel wird vorzugsweise vollständig in beide Drehrichtungen der Kugelmutter abgefahren. Das Kippspiel wird vorzugsweise in beide Lastrichtungen gemessen, wobei die Richtung des Vorspannmoments der Kugelmutter bei dem Wechsel der Rotationsrichtung der Gewindespindel ebenfalls gewechselt wird.
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Für eine besonders aussagekräftige Prüfung können insgesamt vier Messvorgänge durchgeführt werden, nämlich je eine Messung in der ersten Vorspannrichtung beim Vorlauf und beim Rücklauf des Kugelgewindetriebs und je eine Messung in der zweiten Vorspannrichtung beim Vorlauf und beim Rücklauf des Kugelgewindetriebs.
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Bei der Auswertung werden vorzugsweise die Messwerte des Axialpositionsaufnehmers in Relation zu den Messwerten des wenigstens einen Kippwinkelaufnehmers gesetzt, so dass sich eine Messkurve über den gesamten nutzbaren Bereich ergibt. Es werden vorzugsweise die Differenzen der Messwerte des wenigstens einen Kippwinkelaufnehmers an gegebenen Drehwinkelpositionen in beiden Lastrichtungen erfasst. Es ergibt sich in der Praxis jeweils eine etwa sinusförmige Kippwinkelmesskurve in jeder Bewegungsrichtung des Kugelgewindetriebs. Die Sinusförmigkeit oder allgemein die Welligkeit der Messkurven ergibt sich aus Fluchtungsfehlern der miteinander im Eingriff stehenden Gewinde, die im Betrieb nicht störend wirken. Zur Auswertung können dann die Summe oder die Differenz der Messkurven gebildet werden, die eine Aussage über das Kippspiel erlauben.
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Es können die Maximalwerte und/oder das Integral der Differenzen zur Beurteilung der Fertigungsqualität des Kugelgewindetriebs herangezogen werden.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
- 1: eine Vorrichtung zur Prüfung eines Kugelgewindetriebs in einer schematischen Darstellung in einem Längsschnitt entlang der z-Achse; sowie
- 2: ein Diagramm mit je einer Messkurve in Vorlauf- und Rücklaufrichtung sowie mit der Summe der beiden Messkurven.
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Die 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Prüfung eines Kugelwindetriebs in einem Längsschnitt entlang der z-Achse. Die z-Achse ist in der Praxis vorzugsweise vertikal angeordnet, um einen Einfluss der Gravitation quer zur z-Achse auszuschließen.
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Die Vorrichtung ruht auf einem Sockel 1, der über einen nicht dargestellten Rahmen auch die anderen Komponenten der Vorrichtung stützt. Im Einzelnen ist die Vorrichtung mit einer oberen drehbaren Aufnahme 2 für eine Gewindespindel 3 ausgestattet. Die Aufnahme 2 ist mit einem Antriebsmotor 4 zur Drehung um eine z-Achse Z gekoppelt. Das gegenüberliegende, untere Ende der Gewindespindel 3 ist auf einen Führungsdorn 5 aufgesetzt, der drehbar um die z-Achse auf einem Winkelaufnehmer 6 gelagert ist.
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Die Vorrichtung umfasst weiter eine Halterung 7 für eine Kugelmutter 8. Die Halterung 7 ist aus mehreren Bauelementen zusammengesetzt. Sie umfasst eine Sockelplatte 10 und Führungselemente 11. Zwischen den Führungselementen ist ein Spanntopf 12 über mehrere Schwenklager 13 kardanisch gelagert. Der Spanntopf 12 ist mit einer oberen Verschlussplatte 14 versehen, die die Kugelmutter 8 fest gegen eine untere umlaufende Fase 15 drängt. Die Führungen 11 sind selbst auf senkrechten, auf dem Sockel 1 befestigten Führungsstangen 16 parallel zur z-Achse verschieblich gelagert. Zwei Wegaufnehmer 17 und 17' erfassen die Positionen des Spanntopfs 12 linear in Richtung der z-Achse. Die Wegaufnehmer 17 und 17' sind von der Bauart her an sich bekannt. Sie weisen bevorzugt eine lineare Auflösung von etwa 0,005 mm auf.
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Unterhalb der Trägerplatte 10 sind Aktuatoren 18 und 18' vorgesehen, die an dem Sockel 1 befestigt sind und die über geeignete Druck- und Zugmittel 19 und 19' ein möglichst konstantes Kippmoment über die Platte 10, die Führungen 11, die Lager 13 und den Spanntopf 12 auf die Kugelmutter 8 ausüben. Das Kippmoment kann wahlweise im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn aufgebracht werden, je nachdem, ob der Aktuator 18 eine nach oben und der Aktuator 18' eine nach unten gerichtete Kraft erzeugen, oder umgekehrt. In der 1 ist die positive z-Richtung nach oben gerichtet, die negative z-Richtung ist nach unten gerichtet.
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Eine Datenerfassungseinrichtung zeichnet die Messwerte des Drehwinkelgebers 6 und der Wegsensoren 17 und 17' während des Betriebs auf. Diese Datenerfassungseinrichtung ist nicht dargestellt. Sie steuert bevorzugt auch die gesamte Vorrichtung.
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Bei der Verwendung der insoweit beschriebenen Vorrichtung zur Messung des Kippspiels des Kugelgewindetriebs, der die Gewindespindel 3 und die Kugelmutter 8 sowie die in der 1 nicht dargestellten Kugeln umfasst, wird zunächst die Kugelmutter 8 in den Spanntopf 12 eingesetzt. Sodann wird die Gewindespindel 3 in die Kugelmutter 8 eingespindelt und danach zwischen den Führungsdorn 5 und die Aufnahme 2 eingespannt. Der Führungsdorn 5 und die Aufnahme 2 sind so gestaltet, dass die Gewindespindel zu der z-Achse zentriert ist.
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Die Kugelmutter 8 wird in den Spanntopf 12 durch Anziehen des Deckels 14 eingespannt, wobei sie sich durch Anlage an die Fase 15 gegenüber der Spindel 3 zentriert. Eventuelle Fluchtungsfehler zwischen der Längsachse der Kugelmutter 8 und der Gewindespindel 3 werden durch die Lagerung 13 ausgeglichen. Die Kugelmutter 8 befindet sich zu Beginn eines Messvorgangs an ihrer äußersten unteren Position, in der 1 in der Extremstellung in negativer z-Richtung.
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Über die Aktuatoren 18 und 18' und die Kraftübertragungsmittel 19 und 19' wird zu Beginn eines Messvorgangs eine Vorspannung in Form eines Drehmoments senkrecht zur z-Achse über die Platte 10 auf die Kugelmutter 8 gegeben. Sodann wird über den Antriebsmotor 2 die Spindel 3 in Rotation um die z-Achse versetzt. Die Kugelmutter 8 bewegt sich folglich in Richtung positiver z-Richtung, in der 1 nach oben. Die Daten des sich mitdrehenden Führungsdorns 5, der den Winkelgeber 6 antreibt, werden von einer Datenerfassungseinrichtung simultan zu den Daten der Wegaufnehmer 17 und 17' aufgezeichnet, so dass eine Messwertreihe für den Weg in z-Richtung in Abhängigkeit von dem Drehwinkel entsteht. Über den gesamten möglichen Verfahrweg wird die Halterung 7 an den Führungsstangen 16 spielfrei geführt. Ebenso wird über den gesamten Verfahrweg von den Aktuatoren 18 und 18' die Vorspannung konstant gehalten. Hier kommen als Aktuatoren beispielsweise Spindeltriebe in Frage, die über Druck- oder Zugfedern mit der Platte 10 gekoppelt sind, zum Einsatz. Es ist auch möglich, pneumatische oder hydraulische Aktuatoren vorzusehen. Der Kippwinkel der Kugelmutter 8 wird aus der Differenz der Messwerte der Sensoren 17 und 17' ermittelt.
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In positiver z-Richtung wird also zunächst die Kugelmutter 8 über die Drehung der Gewindespindel 3 von unten nach oben verfahren und dabei das Signal der Wegaufnehmer 17 und 17' in Abhängigkeit von dem Signal des Drehwinkelgebers 6 aufgezeichnet. Die Vorspannung der Aktuatoren 18 und 18' kann dabei im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn aufgebracht werden. Nach dem die Kugelmutter 8 in Ihrer Endstellung in positiver z-Richtung, in der 1 also oben, am Ende des Kugelgewindes angekommen ist, wird die Drehrichtung des Antriebsmotors 4 umgekehrt, so dass sich die Spindel in der entgegengesetzten Richtung um die z-Achse dreht. Gleichzeitig wird das Vorspannmoment, das durch die Aktuatoren 18 und 18' aufgebracht wird, umgekehrt. Vorzugsweise bleibt der Betrag des Vorspannmoments erhalten, nur die Richtung wechselt. Die Kugelmutter 8 wandert in negativer z-Richtung, in der 1 also nach unten. Wieder werden die Signale der Wegaufnehmer 17 und 17' in Abhängigkeit von dem Signal des Drehwinkelgebers 6 aufgezeichnet.
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Es ergibt sich ein vollständiger Datensatz über die Abhängigkeit der Axialposition der Kugelmutter 8 und ihres Kippwinkels unter Einfluss des Kippmoments in z-Richtung gegenüber dem Drehwinkel der Spindel 3 in beiden möglichen Lastrichtungen.
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Das Kippspiel in z-Richtung ist dann in einer beliebigen Drehwinkelposition der Gewindespindel 3 als Differenz der Signale der Wegaufnehmer 17 und 17' in der einen und in der anderen Messrichtung ermittelbar. Weil der vollständige Datensatz über den gesamten Verfahrweg der Kugelmutter 8 auf dem Kugelgewinde der Spindel 3 vorliegt, kann das Vorliegen eines maximalen Kippspiels an einer beliebigen Position ermittelt werden. Diese Werte, oder auch andere geeignete Auswerteverfahren, geben eine Information über die Qualität des Kugelgewindetriebs und indirekt auch über den Zustand der Produktionsanlagen an.
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Während hier bevorzugt eine Vorrichtung und ein Verfahren beschrieben werden, bei denen die Spindel eine Drehung um die z-Achse ausführt und die Kugelmutter die entsprechende Linearbewegung ausführt, sind auch Verfahren und Vorrichtungen denkbar, bei denen die Kugelmutter rotiert und entweder die Kugelmutter selbst oder die Spindel die entsprechende Linearbewegung ausführt, die dann vermessen wird. In beiden Fällen ergibt sich ebenfalls ein Satz von Messwerten, der die gewünschte Information (Drehwinkel zur Linearposition) enthält. Der apparative Aufwand zur Erzielung einer hinreichenden Messgenauigkeit ist allerdings aus derzeitiger Sicht größer.
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Zusammengefasst erfolgen die beiden beschriebenen Messverfahren derart, dass bei der dynamischen Kippspielmessung das Verkippen der Mutter gegenüber den Gewindeflanken zwischen letzten und ersten Gewindegang über die komplette Gewindelänge gemessen wird.
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Die Mutter wird in z-Richtung fest eingespannt, hat jedoch einen sphärisch-lateralen Ausgleich. Die Spindel wird in Rotation gebracht, wodurch sich die feststehende Mutter nach oben oder nach unten bewegt. Die Mutter wird mit einem konstanten Moment gegen die Spindel verkippt. Die Rotation, der Weg in Z und der Verkippwinkel der Mutter zur Spindel nach oben wird aufgezeichnet. Die Drehrichtung und das Belastungsmoment werden dann umgekehrt und die Mutter bewegt sich in z-Richtung nach unten. Rotation, Weg und Verkippwinkel werden wieder aufgezeichnet. Es wird nun aus den Summenwinkeln der Aufzeichnungskurven an der jeweilige Positionen der Spindel der Summenwinkel kumuliert (Rotationswinkel, Weg in Z und Kippwinkel der Mutter). Dieser Summenwinkel ist das Kippspiel.
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Bei der anderen Verfahrensvariante wird das Verkippen der Mutter der Gewindeflanken zwischen letzten und ersten Gewindegang über die gesamte Gewindelänge gemessen, indem die Mutter in z-Richtung fest eingespannt wird, jedoch einen sphärischlateralen Ausgleich hat. Die Mutter wird in Rotation gebracht wodurch sich die in diesem Fall feststehende Spindel nach oben oder nach unten bewegt. Die Spindel wird mit einem konstanten Moment gegen die Mutter verkippt. Die Rotation, der Weg in z-Richtung nach oben und der Verkippwinkel der Mutter zur Spindel werden aufgezeichnet. Die Drehrichtung und das Belastungsmoment werden dann umgekehrt und die Mutter bewegt sich in z-Richtung nach unten. Rotation, Weg und Verkippwinkel werden aufgezeichnet. Aus den Summenwinkeln der Aufzeichnungskurve an der jeweilige Positionen der Spindel der Summenwinkel kumuliert (Rotationswinkel, Weg in z-Richtung und Kippwinkel der Mutter). Dieser Summenwinkel ist das Kippspiel.
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Die tatsächliche Berechnung des Kippwinkels hängt davon ab, ob dieser mit oder ohne Vorzeichen gemessen wird. Wird kein Vorzeichen verwendet, so ist im wesentlichen die Summe der an einer gegebenen Position gemessenen Kippwinkel das Kippspiel, wird das Vorzeichen der Kippwinkel mit berücksichtigt, so sollte bei der Berechnung die Differenz gebildet werden, wie die in 2 veranschaulicht ist.
