DE102013101375A1 - Gelenkwellen-Auswuchtmaschine und Auswuchtverfahren - Google Patents
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Abstract
Bei einer Gelenkwellen-Auswuchtmaschine (10) zum dynamischen Auswuchten von Gelenkwellen, mit zwei Lagerständern (13), wobei jeder Lagerständer ein mittels Federn (19, 20) gelagertes Oberteil (17) mit einer drehbare Spindel (21), einer Aufnahme für ein Ende einer auszuwuchtenden Gelenkwelle (W) und einen erster Schwingungsaufnehmer (26) aufweist, der Schwingungen des Oberteils infolge von Unwucht der Gelenkwelle (W) sowie weiteren beteiligten Kräften in wenigstens einem ersten zur Spindelachse normalen Bewegungsfreiheitsgrad erfasst, ist an dem Oberteil (17) von mindestens einem Lagerständer (13) ein zweiter Schwingungsaufnehmer (29) befestigt ist, der die Schwingungen des Oberteils in wenigstens einem zweiten Bewegungsfreiheitsgrad erfasst, wobei die Schwingungssignale des ersten und des zweiten Schwingungsaufnehmers (26, 29) einer Auswerteschaltung zugeführt werden, welche die Schwingungssignale analysiert und so verknüpft, dass Schwingungsanregungen des Oberteils (17), die nicht durch die Unwucht der Gelenkwelle (W) verursacht sind, nicht in den bei der Auswertung berechneten Unwuchtwert der Gelenkwelle (W) eingehen.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Gelenkwellen-Auswuchtmaschine zum dynamischen Auswuchten von Gelenkwellen, umfassend wenigstens zwei auf einem Maschinenbett angeordnete Lagerständer, wobei jeder Lagerständer ein mittels Federn gelagertes Oberteil aufweist, an dem eine um eine Achse drehbare Spindel mit einer Halterung für ein Ende einer auszuwuchtenden Gelenkwelle und ein erster Schwingungsaufnehmer angeordnet sind, der Schwingungen des Oberteils infolge von Unwucht der Gelenkwelle sowie weiteren beteiligten Kräften in wenigstens einem ersten zur Spindelachse normalen Bewegungsfreiheitsgrad erfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum dynamischen Auswuchten von Gelenkwellen.
- Gelenkwellen-Auswuchtmaschinen sind unter anderem aus
DE 28 02 367 B2 undUS 6 694 812 B2 bekannt. In Gelenkwellen-Auswuchtmaschinen werden die auszuwuchtenden Gelenkwellen an jedem Ende von einer drehbaren Spindel eines Lagerständers aufgenommen. Die Spindel ist in einem Lagergehäuse gelagert, das mittels Federn an dem Lagerständer abgestützt ist. Die Federn, im allgemeinen Blattfedern, sind so angeordnet, dass das Oberteil durch Parallelverschiebung seiner Spindelachse schwingen kann und nur auf Querkräfte reagiert, die von einer Unwucht der Gelenkwelle hervorgerufen und durch die Gelenke und die Spindel auf das Oberteil übertragen werden. Da die Gelenke der Gelenkwelle keine Biegemomente übertragen, werden die Lagerständer von Gelenkwellen-Auswuchtmaschinen als Unwuchtmessvorrichtungen für eine Ebene ausgelegt, wobei zur Erfassung der Schwingungen des Lagerständeroberteils in dem zur Spindelachse normalen Bewegungsfreiheitsgrad ein Schwingungsaufnehmer an jedem Lagerständer angeordnet ist. In der Praxis hat sich diese Auslegung seither bewährt. - Mit dem wachsenden Bedürfnis, Gelenkwellen bei höheren Drehzahlen, die in der Nähe ihrer Betriebsdrehzahl liegen, zu vermessen, hat sich jedoch gezeigt, dass bei höheren Drehzahlen die Anforderungen an die Genauigkeit der Unwuchtmessung nicht mehr zufriedenstellend erfüllt werden können. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gelenkwellen-Auswuchtmaschine der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die auch bei höheren, in der Nähe der Betriebsdrehzahl der Gelenkwelle liegenden Auswuchtdrehzahlen genaue Messungen ermöglicht. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben.
- Hinsichtlich der Gelenkwellen-Auswuchtmaschine wird die genannte Aufgabe durch die in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Auswuchtmaschine ist in Anspruch 2 angegeben. Hinsichtlich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe durch ein Verfahren mit den in Anspruch 3 angegebenen Merkmalen und eine Weiterbildung dieses Verfahrens mit den in Anspruch 4 angegebenen Merkmalen gelöst.
- Bei der Gelenkwellen-Auswuchtmaschine nach der Erfindung ist an dem Oberteil von mindestens einem Lagerständer ein zweiter Schwingungsaufnehmer befestigt, der die Schwingungen des Oberteils in wenigstens einem zweiten Bewegungsfreiheitsgrad erfasst, wobei die Schwingungssignale des ersten und des zweiten Schwingungsaufnehmers einer Auswerteschaltung zugeführt werden, welche die Schwingungssignale analysiert und so verknüpft, dass Schwingungsanregungen des Oberteils, die nicht durch die Unwucht der Gelenkwelle verursacht sind, nicht in den bei der Auswertung berechneten Unwuchtwert der Gelenkwelle eingehen.
- Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass das Lagerständeroberteil bei höheren Auswuchtdrehzahlen trotz ausschließlicher Anregung durch unwuchtbedingte Querkräfte und normal zur Drehachse führender Federabstützung Schwingungen ausführt, bei denen die Spindelachse nicht mehr rein parallel bewegt wird, sondern die Bewegung zudem Anteile einer Nickbewegung um eine quer zur Spindelachse verlaufende Achse enthält. Die Nickbewegungen entgegenwirkende dynamische Steifigkeit der das Oberteil lagernden Federn lässt mit hohen Drehzahlen nach und kann mit steigender Drehzahl zum Erreichen einer Nickresonanz führen, bei der die Lagerständeroberteile nicht mehr ausschließlich auf Radialkräfte, sondern sehr empfindlich auf Momentenanregung reagieren. Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Auswuchtmaschine werden mit Hilfe des zweiten Schwingungsaufnehmers die Schwingungen des Oberteils in dem Nickbewegungen ausführenden zweiten Bewegungsfreiheitsgrad erfasst und bei der Auswerterechnung von den unwuchtbedingten Schwingungsanteilen getrennt. Auf diese Weise werden durch höhere Auswuchtdrehzahlen bedingte Einschränkungen der Messgenauigkeit vermieden.
- Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann ein dritter Schwingungsaufnehmer an dem Oberteil eines Lagerständers angeordnet sein, der Schwingungen des Oberteils in Richtung der Achse der Spindel erfasst, wobei die Auswerteschaltung dazu eingerichtet ist, aus den Schwingungssignalen des dritten Schwingungsaufnehmers eine Axialkraftanregung zu ermitteln und bei der Auswertung einer Unwuchtmessung den Anteil der Axialkraftanregung von den Schwingungssignalen zur Berechnung des Unwuchtwerts zu entfernen.
- Diese Ausgestaltung der Auswuchtmaschine hat den Vorteil, dass umlauffrequente Axialkräfte, die einen Störanteil in den von den Schwingungsaufnehmern erfassten Schwingungssignalen verursachen können, die Genauigkeit der Unwuchtmessung nicht beeinträchtigen können. umlauffrequente Axialkräfte können bei der Unwuchtmessung von Gelenkwellen auftreten, wenn diese keinen Axialausgleich in Form eines Schiebestücks oder eines axial verschiebbaren Gleichlaufgelenks haben.
- Das Verfahren nach der Erfindung schließt einen einer Unwuchtmessung von Gelenkwellen vorausgehenden Kalibrierschritt ein, bei welchem mit jedem der beiden Lagerständer der Auswuchtmaschine separat Referenzläufe durchgeführt werden, welche jeweils einen ersten Referenzlauf ohne oder mit kleiner Querkraft- und Momentenanregung, einen zweiter Referenzlauf mit einer Querkraftanregung von bekannter Größe und einen dritten Referenzlauf mit einer Momentenanregung von bekannter Größe umfassen, die erfassten Schwingungssignale der Referenzläufe harmonisch analysiert, als Parameter gespeichert und zur Berechnung einer Kalibriermatrix verwendet werden und bei der danach folgenden Unwuchtmessung einer Gelenkwelle die Schwingungssignale unter Anwendung der berechneten Kalibriermatrix derart ausgewertet werden, dass Schwingungsanregungen, die nicht durch die Unwucht der Gelenkwelle verursacht sind, nicht in den bei der Auswertung berechneten Unwuchtwert der Gelenkwelle eingehen.
- In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass bei dem Kalibrierschritt ein weiterer Referenzlauf mit einer Axialkraftanregung durchgeführt wird und Schwingungen des Oberteils des Lagerständers in Richtung der Achse der Spindel von einem Schwingungsaufnehmer erfasst, harmonisch analysiert, als Kalibrierfaktor gespeichert und bei der nachfolgenden Unwuchtmessung einer Gelenkwelle von den Schwingungssignalen für die Berechnung des Unwuchtwertes getrennt werden.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigen
-
1 eine schematische Darstellung einer Gelenkwellen-Auswuchtmaschine nach dem Stand der Technik, -
2 eine schematische Darstellung eines Lagerständers einer Gelenkwellen-Auswuchtmaschine nach der Erfindung. -
1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer bekannten, zum Auswuchten von Gelenkwellen bestimmten Auswuchtmaschine10 . Die Auswuchtmaschine10 umfasst ein Maschinenbett12 , auf dem einander gegenüber liegend zwei Lagerständer13 ,14 angeordnet sind. Beide Lagerständer haben einen Sockel15 ,16 , der in einer sich in Längsrichtung des Maschinenbetts12 erstreckenden Geradführung längs verschieblich gelagert ist und zur Anpassung des Abstands der Lagerständer13 ,14 an die Länge der aufzunehmenden Gelenkwelle verfahren werden kann. Die Sockel15 ,16 tragen jeweils ein Oberteil17 ,18 , das mittels Federn19 ,20 an ihnen abgestützt ist. An jedem Oberteil17 ,18 befindet sich eine in Lagergehäusen drehbar gelagerte Spindel21 ,22 . Die Spindeln21 ,22 der beiden Oberteile17 ,18 sind koaxial zueinander angeordnet und haben an ihren einander zugekehrten Enden Spannvorrichtungen23 ,24 zum zentriergenauen Einspannen eines Befestigungsendes, beispielsweise des Endflansches, einer Gelenkwelle W. Wenigstens ein Oberteil, in der Zeichnung das Oberteil18 , weist einen Antriebsmotor25 auf, durch den die Spindel22 und durch diese die eingespannte Gelenkwelle W drehend antreibbar sind. Die andere Spindel21 ist zusammen mit dem eingespannten Ende der Gelenkwelle W frei drehbar, kann aber ebenfalls mit einem Antriebsmotor versehen sein. An jedem Oberteil17 ,18 ist weiterhin ein Schwingungsaufnehmer26 ,27 angeordnet, der Schwingungen des jeweiligen Oberteils17 ,18 in einer Richtung, hier der vertikalen Richtung, erfasst und in Form elektrischer Signale an eine elektronische Auswerte- und Recheneinrichtung überträgt. Zur Messung der Drehbewegung der Spindeln21 ,22 ist weiterhin ein elektrischer Drehwinkelgeber28 vorhanden, der ebenfalls an die Auswerte- und Recheneinrichtung angeschlossen ist. - Während eines Messlaufs wird die Gelenkwelle W mit einer Drehzahl Ω angetrieben, wobei die Unwuchten der Gelenkwelle W die Oberteile
17 ,18 der Lagerständer13 ,14 zu Schwingungen anregen. Die Schwingungen und die dazugehörige Drehzahl werden erfasst und anhand ihrer Phasen und Beträge kann die Unwucht der Gelenkwelle10 in zwei Messebenen bestimmt werden. Messebenen sind bei einer Gelenkwelle die zur Drehachse senkrechten Ebenen, die durch den Mittelpunkt der Gelenke gehen, da die durch Unwucht U induzierten Kräfte dort als Querkräfte Q auf die an den Spindeln eingespannten Gelenkwellenflansche übertragen werden. Die Unwuchten der Gelenkwellenflansche und Kupplungsteile werden ebenfalls in den Messebenen erfasst. Die Federn19 ,20 der Lagerständer13 ,14 sind bei Gelenkwellen-Auswuchtmaschinen üblicherweise so ausgebildet und angeordnet, dass die Oberteile15 ,16 der Lagerständer13 ,14 infolge einer Anregung durch diese Querkräfte so schwingen, dass die Achsen der Spindeln21 ,22 parallele Bewegungen ausführen und dabei ihre zu den Messebenen senkrechte Richtung beibehalten. Hierdurch wird erreicht, dass die Lagerständer13 ,14 ausschließlich auf die Querkräfte reagieren, welche von der Gelenkwellenunwucht hergerufen und durch die Gelenke übertragen werden. Jeder Lagerständer einer Gelenkwellen-Auswuchtmaschine bildet daher üblicherweise eine Unwuchtmessvorrichtung für eine Unwuchtebene. - Diese bekannte und übliche Auslegung von Gelenkwellen-Auswuchtmaschinen hat sich in der Praxis bewährt und führt bei niedrigen Drehzahlen zu befriedigenden Ergebnissen. Gelenkwellen zeigen jedoch Ansätze von wellenelastischem Verhalten und es besteht daher das Bedürfnis, Gelenkwellen bei höheren Drehzahlen, nämlich in der Nähe der künftigen Betriebsdrehzahl auszuwuchten. Bei höherer Drehzahl der Gelenkwelle führt das Lagerständeroberteil, auch bei ausschließlicher Anregung durch Querkräfte, keine reinen Parallelschwingungen mehr aus, sondern seine Schwingungen enthalten Anteile von Nickbewegungen, vergleiche die in
2 gestrichelt angedeutete Lageänderung des Lagerständeroberteils. Der Lagerständer reagiert nicht mehr ausschließlich auf Querkräfte, sondern ebenfalls auf Biegemomente. Das Signal u1(t) des Schwingungsaufnehmers enthält dann Anteile, welche durch (umlauffrequente) QuerkräfteQ →(t) M →(t) - Nach der Erfindung werden die Oberteile beider Lagerständer einer Gelenkwellen-Auswuchtmaschine mit einem ersten und einem zweiten Schwingungsaufnehmer ausgestattet.
2 zeigt den Lagerständer13 der Gelenkwellen-Auswuchtmaschine10 , dessen Oberteil17 nach der Erfindung zwei Schwingungsaufnehmer26 ,29 aufweist. Die beiden Schwingungsaufnehmer26 ,29 des Lagerständers13 sind in großem Abstand voneinander angeordnet, so dass sie bei einer Überlagerung aus Parallel- und Nickschwingung unterschiedliche Signale u1.1(t), u1.2(t) abgeben. Für die harmonisch analysierten Messsignale von Schwingungsaufnehmern benutzt man in der Auswuchttechnik üblicherweise eine -
- Für die Anregungskräfte und -momente gilt dann der lineare Zusammenhang wobei in der 4×4 Kalibriermatrix aufgrund von Symmetrien nur 8 freie Parameter auftauchen. Diese lassen sich empirisch ermitteln, indem man in einem Referenzlauf beispielsweise eine kleine Anregung
Q →0 ≈ 0, M →0 ≈ 0 Q →I= QKal, M →I ≈ 0, Q →II ≈ 0, u → 0 / 1, u → I / 1, u → II / 1, u → 0 / 2, u → I / 2, u → II / 1 - Die Anregung kann man zweckmäßigerweise durch das Setzen von Testunwuchten auf der Spindel realisieren. Hierbei wird jeder Lagerständer separat betrachtet.
-
- Die Koeffizienten der Matrix A hängen hierbei von den Differenzen der harmonisch analysierten Messsignale
(u → I / 1, – u → 0 / 1), (u → II / 1, – u → 0 / 1), (u → II / 2, – u → 0 / 2) - Die folgenden Betrachtungen gelten nun für die gesamte Auswuchtmaschine mit zwei Lagerständern.
- Die Querkraftanregungen des ersten und zweiten Lagerständerskann man anschließend der herkömmlichen Unwuchtberechnung zuführen. Die eigentliche Unwuchtkalibrierung findet dann durch Setzen von bekannten Unwuchten in den Messebenen der Gelenkwelle statt. Auf diese Weise lassen sich durch Momenteneinflüsse verursachte Messfehler mit Hilfe eines zweiten Sensors fast vollständig eliminieren.
- Die Momentenanregungen des ersten und zweiten Lagerständers würde man normalerweise ignorieren. Unter Umständen könnte man aber auf Überschreitung eines Grenzwertes prüfen, denn ein Gelenkwellenhersteller möchte neben der Unwuchtwirkung möglicherweise auch die Momentenwirkung auf die angeflanschten Bauteile limitieren.
- Zu Messproblemen kann es auch kommen, wenn die Gelenkwelle keinen Axialausgleich (z. B. Schiebestück oder verschiebbares Gleichlaufgelenk) besitzt. Es können dann umlauffrequente Axialkräfte einen Störanteil im Messsignal verursachen. Nach der Erfindung kann durch Anbringen eines dritten Schwingungsaufnehmers
30 an dem Oberteil17 des Lagerständers13 die Anregung durch umlauffrequente Axialkräfte erfasst und bei der Berechnung der Unwucht berücksichtigt werden. Die Vorgehensweise ist hierbei vollkommen analog zu der oben beschriebenen. Man führt zunächst einen Referenzlauf ohne Anregung, anschließend drei Kalibrierläufe mit Querkraftanregung, Momentenanregung und Axialkraftanregung durch. Die Erzeugung umlauffrequenter Axialkräfte gestaltet sich hierbei etwas schwieriger, da sie nicht durch das Setzen von Testunwuchten erfolgen kann. Man könnte einen phasentreuen Krafterreger einsetzen, dies wäre aber aufwendig. Praxisnäher ist z. B. eine Gelenkwelle mit Längenausgleich welche man mit einem definierten Achsversatz in der Spannaufnahme fixiert. Beim Referenzlauf und den ersten beiden Kalibrierläufen würde man den Längenausgleich freigeben, beim letzten Kalibrierlauf jedoch blockieren. Die gemessenen Axialkäfte lassen sich anschließend zwar nicht quantifizieren, sie lassen sich aber dennoch separieren und aus der Unwuchtmessung eliminieren. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
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- DE 2802367 B2 [0002]
- US 6694812 B2 [0002]
Claims (4)
- Gelenkwellen-Auswuchtmaschine (
10 ) zum dynamischen Auswuchten von Gelenkwellen, umfassend wenigstens zwei auf einem Maschinenbett (12 ) angeordnete Lagerständer (13 ,14 ), wobei jeder Lagerständer ein mittels Federn (19 ,20 ) gelagertes Oberteil (17 ,18 ) aufweist, an der eine um eine Achse drehbare Spindel (21 ,22 ) mit einer Aufnahme für ein Ende einer auszuwuchtenden Gelenkwelle (W) und ein erster Schwingungsaufnehmer (26 ,27 ) angeordnet sind, der Schwingungen des Oberteils infolge von Unwucht der Gelenkwelle (W) sowie weiteren beteiligten Kräften in wenigstens einem ersten zur Spindelachse normalen Bewegungsfreiheitsgrad erfasst, wobei an dem Oberteil (17 ) von mindestens einem Lagerständer (13 ) ein zweiter Schwingungsaufnehmer (29 ) befestigt ist, der die Schwingungen des Oberteils in wenigstens einem zweiten Bewegungsfreiheitsgrad erfasst und wobei die Schwingungssignale des ersten und des zweiten Schwingungsaufnehmers (26 ,29 ) einer Auswerteschaltung zugeführt werden, welche die Schwingungssignale analysiert und so verknüpft, dass Schwingungsanregungen des Oberteils (17 ), die nicht durch die Unwucht der Gelenkwelle (W) verursacht sind, nicht in den bei der Auswertung berechneten Unwuchtwert der Gelenkwelle (W) eingehen. - Auswuchtmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Schwingungsaufnehmer (
30 ) an dem Oberteil (17 ) von mindestens einem Lagerständer (13 ) angeordnet ist, der Schwingungen des Oberteils (17 ) in Richtung der Achse der Spindel (21 ) erfasst und dass die Auswerteschaltung dazu eingerichtet ist, aus den Schwingungssignalen des dritten Schwingungsaufnehmers (30 ) eine Axialkraftanregung zu ermitteln und bei der Auswertung einer Unwuchtmessung den Anteil der Axialkraftanregung von den Schwingungssignalen zur Berechnung des Unwuchtwerts zu entfernen. - Verfahren zum dynamischen Auswuchten von Gelenkwellen unter Verwendung einer Auswuchtmaschine (
10 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem einer Unwuchtmessung von Gelenkwellen (W) ein Kalibrierschritt vorausgeht, bei dem mit jedem der beiden Lagerständer (13 ,14 ) der Auswuchtmaschine (10 ) separat Referenzläufe durchgeführt werden, welche jeweils einen ersten Referenzlauf ohne oder mit kleiner Querkraft- und Momentenanregung, einen zweiter Referenzlauf mit einer Querkraftanregung von bekannter Größe und einen dritten Referenzlauf mit einer Momentenanregung von bekannter Größe umfassen, die erfassten Schwingungssignale der Referenzläufe harmonisch analysiert, als Parameter gespeichert und zur Berechnung einer Kalibriermatrix verwendet werden und bei der folgenden Unwuchtmessung einer Gelenkwelle (W) die Schwingungssignale unter Anwendung der berechneten Kalibriermatrix derart ausgewertet werden, dass Schwingungsanregungen, die nicht durch die Unwucht der Gelenkwelle verursacht sind, nicht in den bei der Auswertung berechneten Unwuchtwert der Gelenkwelle (W) eingehen. - Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Kalibrierschritt ein weiterer Referenzlauf mit einer Axialkraftanregung durchgeführt wird und Schwingungen eines Oberteils (
17 ) von mindestens einem Lagerständer (13 ) in Richtung der Achse der Spindel (21 ) von einem Schwingungsaufnehmer (30 ) erfasst, harmonisch analysiert, als Kalibrierfaktor gespeichert und bei nachfolgender Unwuchtmessung einer Gelenkwelle (W) von den Schwingungssignalen für die Berechnung des Unwuchtwertes getrennt werden.
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