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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.
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Gelenkwellen-Auswuchtmaschinen sind unter anderem aus
DE 28 02 367 B2 und
US 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.
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Bei einer aus
DE 15 73 670 B2 bekannten Auswuchtmaschine für Kurbelwellen ist die Lagerbrücke eines Lagerständers auf zwei Schwingungen aufnehmenden Kraftmessdosen gelagert, die verschiedene, in der Lagerebene liegende Messrichtungen haben. Die Signale der beiden Kraftmessdosen werden durch Auswerteschaltungen nach ihren cartesischen Schwingungskomponenten zerlegt und aus diesen die zirkularen und polaren bzw. antizirkularen Anteile dargestellt.
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Aus
JP 57 165 731 A ist ein Unwuchtausgleichssystem bekannt, bei dem der Rotor mit Lagerzapfen in zwei Lagern gelagert ist. An jedem Lager befindet sich ein erster Schwingungsaufnehmer zum Erfassen der Schwingungen des Lagerzapfens und in einem Abstand von diesem ein zweiter Schwingungsaufnehmer, der in der gleichen Richtung wie der erste misst und der Schwingungen von am Ende des Lagerzapfens angeordneten Kupplungsteilen erfasst.
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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.
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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.
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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 Nickschwingungsanregungen des Oberteils nicht in den bei der Auswertung berechneten Unwuchtwert der Gelenkwelle eingehen.
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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.
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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.
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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.
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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 Nickschwingungsanregungen nicht in den bei der Auswertung berechneten Unwuchtwert der Gelenkwelle eingehen.
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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.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigen
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1 eine schematische Darstellung einer Gelenkwellen-Auswuchtmaschine nach dem Stand der Technik,
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2 eine schematische Darstellung eines Lagerständers einer Gelenkwellen-Auswuchtmaschine nach der Erfindung.
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1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer bekannten, zum Auswuchten von Gelenkwellen bestimmten Auswuchtmaschine 10. Die Auswuchtmaschine 10 umfasst ein Maschinenbett 12, auf dem einander gegenüber liegend zwei Lagerständer 13, 14 angeordnet sind. Beide Lagerständer haben einen Sockel 15, 16, der in einer sich in Längsrichtung des Maschinenbetts 12 erstreckenden Geradführung längs verschieblich gelagert ist und zur Anpassung des Abstands der Lagerständer 13, 14 an die Länge der aufzunehmenden Gelenkwelle verfahren werden kann. Die Sockel 15, 16 tragen jeweils ein Oberteil 17, 18, das mittels Federn 19, 20 an ihnen abgestützt ist. An jedem Oberteil 17, 18 befindet sich eine in Lagergehäusen drehbar gelagerte Spindel 21, 22. Die Spindeln 21, 22 der beiden Oberteile 17, 18 sind koaxial zueinander angeordnet und haben an ihren einander zugekehrten Enden Spannvorrichtungen 23, 24 zum zentriergenauen Einspannen eines Befestigungsendes, beispielsweise des Endflansches, einer Gelenkwelle W. Wenigstens ein Oberteil, in der Zeichnung das Oberteil 18, weist einen Antriebsmotor 25 auf, durch den die Spindel 22 und durch diese die eingespannte Gelenkwelle W drehend antreibbar sind. Die andere Spindel 21 ist zusammen mit dem eingespannten Ende der Gelenkwelle W frei drehbar, kann aber ebenfalls mit einem Antriebsmotor versehen sein. An jedem Oberteil 17, 18 ist weiterhin ein Schwingungsaufnehmer 26, 27 angeordnet, der Schwingungen des jeweiligen Oberteils 17, 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 Spindeln 21, 22 ist weiterhin ein elektrischer Drehwinkelgeber 28 vorhanden, der ebenfalls an die Auswerte- und Recheneinrichtung angeschlossen ist.
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Während eines Messlaufs wird die Gelenkwelle W mit einer Drehzahl Ω angetrieben, wobei die Unwuchten der Gelenkwelle W die Oberteile 17, 18 der Lagerständer 13, 14 zu Schwingungen anregen. Die Schwingungen und die dazugehörige Drehzahl werden erfasst und anhand ihrer Phasen und Beträge kann die Unwucht der Gelenkwelle 10 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 Federn 19, 20 der Lagerständer 13, 14 sind bei Gelenkwellen-Auswuchtmaschinen üblicherweise so ausgebildet und angeordnet, dass die Oberteile 15, 16 der Lagerständer 13, 14 infolge einer Anregung durch diese Querkräfte so schwingen, dass die Achsen der Spindeln 21, 22 parallele Bewegungen ausführen und dabei ihre zu den Messebenen senkrechte Richtung beibehalten. Hierdurch wird erreicht, dass die Lagerständer 13, 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.
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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) Querkräfte Q →(t) hervorgerufen werden und Anteile, welche durch (umlauffrequente) Biegemomente M →(t) hervorgerufen werden. Eine Separierung zwischen diesen beiden Ursachen ist bei Verwendung eines einzigen Schwingungsaufnehmers pro Lagerständer nicht möglich. Infolgedessen wird die Unwuchtbestimmung durch Momente verfälscht, welche auf das Lagerständeroberteil einwirken. Die Erfindung zeigt einen Weg auf, wie man diese Meßfehler unter Verwendung eines weiteren Sensors vermeiden kann.
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Nach der Erfindung werden die Oberteile beider Lagerständer einer Gelenkwellen-Auswuchtmaschine mit einem ersten und einem zweiten Schwingungsaufnehmer ausgestattet.
2 zeigt den Lagerständer
13 der Gelenkwellen-Auswuchtmaschine
10, dessen Oberteil
17 nach der Erfindung zwei Schwingungsaufnehmer
26,
29 aufweist. Die beiden Schwingungsaufnehmer
26,
29 des Lagerständers
13 sind in großem Abstand voneinander angeordnet, so dass sie bei einer Überlagerung aus Parallel- und Nickschwingung unterschiedliche Signale u
1,1(t), u
1,2(t) abgeben. Für die harmonisch analysierten Messsignale von Schwingungsaufnehmern benutzt man in der Auswuchttechnik üblicherweise eine
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Für die Anregungen eines Lagerständers führt man im rotorfesten Koordinatensystem die Horizontal- und die Vertikalkomponenten
ein.
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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 wirken lässt und anschließend eine erste und eine zweite Anregung bekannter Größe, beispielsweise Q →
I = Q
Kal, M →
I ≈ 0, Q →
II ≈ 0, M →
II = M
Kal wirken lässt, wobei man die Sensorsignale harmonisch analysiert und als u →
0 / 1 , u →
I / 1 , u →
II / 1 , u →
0 / 2 , u →
I / 2 , u →
II / 1 abspeichert.
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Die Anregung kann man zweckmäßigerweise durch das Setzen von Testunwuchten auf der Spindel realisieren. Hierbei wird jeder Lagerständer separat betrachtet.
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Die acht freien Parameter a...h erhält man nach Umstellung der Gleichungen durch das Lösen eines linearen Gleichungsystems der Form
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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 →
I / 2 – u →
0 / 2 ), (u →
II / 2 – u →
0 / 2 ) ab. Ist die Kalibriermatrix erst einmal bekannt, dann kann man bei allen folgenden Messungen die Querkraft und die Momentenanregung separieren:
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Die folgenden Betrachtungen gelten nun für die gesamte Auswuchtmaschine mit zwei Lageständern.
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Die Querkraftanregungen des ersten und zweiten Lagerständers
kann 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.
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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.
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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 Oberteil 17 des Lagerständers 13 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.
