DE10306972A1 - Verfahren zum unabhängigen Messen einer Lagervorbelastung in einer Achsanordnung - Google Patents

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum unabhängigen Messen der Lagervorbelastung eines Antriebsrads (Planetenrads) und eines Differentialgehäuses bei einer montierten Achsanordnung angegeben. Das Hohlrad und das Planetenrad sind innerhalb eines Spiels bzw. Totgangs angeordnet, so daß kein Eingriffszustand zwischen denselben vorhanden ist. Die Planetenradantriebswelle und das Differentialgehäuse werden synchron in Drehung versetzt, wobei die relativen Positionen beibehalten werden, und die Drehmomente werden unabhängig gemessen, welche zur Ausführung einer Drehbewegung der Planetenradwelle (Antriebswelle) und des Differentialgehäuses erforderlich sind. Wenn die unabhängigen Vorbelastungen einmal gemessen sind, kann sich das Hohlrad frei drehen, und das gesamte Drehmoment zur Ausführung einer Drehbewegung der gesamten Achsanordnung kann gemessen werden.

Description

• Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zum Messen einer Lagervorbelastung und insbesondere mit einem Verfahren zum unabhängigen Messen einer Vorbelastung auf ein Planetenrad (Antriebsrad) und ein Hohlrad bei einer montierten Achsanordnung.
• Übliche Achsanordnungen umfassen ein Differentialgehäuse, welches drehbar mit dem Gehäuse der Achsanordnung gelagert ist. Ein Hohlrad ist häufig auf einer Außenumfangsfläche ausgebildet, welches in Kämmeingriff mit einem Planetenrad (Antriebsrad) tritt, um das Hohlrad anzutreiben und ein Drehmoment auf die Achsen zu übertragen. Das Planetenrad wird von einer Planetenradantriebswelle bzw. Ritzelantriebswelle angetrieben, welche ebenfalls drehbar im Gehäuse gelagert ist. Sowohl das Differentialgehäuse als auch die Planetenradwelle sind am Gehäuse mittel Lageranordnungen gelagert. Es ist wichtig, daß sichergestellt wird, daß die Vorbelastung auf diese Lageranordnungen innerhalb vorbestimmter Toleranzen eingestellt sind, um ein geeignetes Arbeiten der Achsanordnung zu ermöglichen. Jede dieser gesonderten Lageranordnungen machen entsprechend unterschiedliche Vorbelastungen erforderlich. Bisher gibt es keine Möglichkeit, diese Lagervorbelastungen unabhängig und genau zu messen, wenn die Achsanordnung vollständig montiert und zusammengesetzt ist.
• Im Stand der Technik gibt es Vorgehensweisen zum Messen der Vorbelastung an der gesamten Achsanordnung. Hierbei handelt es sich um die Summe aus den Vorbelastungen der Planetenradanordnung und der Gehäuselageranordnung. Bei weiteren Methoden ist eine teilweise Demontage der Achsanordnung erforderlich, um eine der Lageranordnungen unabhängig voneinander zu vermessen. Dies ist jedoch unerwünscht, da nämlich dann eine vollständige Demontage erforderlich wäre, und anschließend diese wieder zusammengebaut werden müßte, um die Vorbelastung der zweiten Lageranordnung zu messen. Während die Vorbelastung der zweiten Lageranordnung dadurch abgeschätzt werden kann, daß die Vorbelastung der ersten Lageranordnung von der Belastung der gesamten Anordnung abgezogen wird, wird hierdurch das unabhängige Messen der Vorbelastung auf eines der Lager nicht erleichtert, da nach einem gewissen Gebrauch das Planetenraddrehmoment sich bei der Drehbewegung ändert, wenn sich das Planetenradlager dreht. Somit läßt sich das Differentialdrehmoment bei der Drehbewegung (Vorbelastung) nicht auf genaue Weise messen.
• Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zum unabhängigen Messen der Lagervorbelastung (oder des Drehmoments für die Drehbewegung) eines Planetenrads und des Differentialgehäuses mit dem zugeordneten Hohlrad in einem zusammengesetzten Zustand der Achsanordnung. Ein Totgang bzw. ein Spiel zwischen den kämmenden Zähnen des Hohlrads und des Planetenrads wird gemessen. Das Hohlrad und das Planetenrad werden dann zwischen dem gemessenen Totgang angeordnet, so daß einer der Zähne in Eingriff ist oder den jeweils anderen berührt. Die Planetenradwelle und das Differentialgehäuse werden unter Aufrechterhaltung der Synchronisierung der relativen Positionen und des Drehmoments verdreht, um die Planetenradwelle und das Differentialgehäuse beim Verdrehen unabhängig zu messen. Da das Hohlrad und das Planetenrad einander nicht berühren, kann man genaue unabhängige Messungen für die jeweiligen Vorbelastungen erhalten. Nachdem die unabhängigen Vorbelastungen gemessen sind, kann das Hohlrad frei eine Drehbewegung unter Antrieb durch das Planetenrad ausführen und das Gesamtdrehmoment zur Ausführung der Drehbewegung der gesamten Achsanordnung kann gemessen werden.
• Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Darin gilt:
• Fig. 1 ist eine schematische Teilschnittansicht einer Vorrichtung zum Messen der Lagervorbelastung nach der Erfindung, und
• Fig. 2 ist eine Ansicht von entsprechenden, in Kämmeingriff befindlichen Zahnradzähnen eines zugeordneten Totgangs bzw. Spiels.
• Fig. 1 zeigt eine übliche Achsanordnung, welche ein Differentialgehäuse 1 hat, welches drehbar in einem Gehäuse 3 über Lager 5 gelagert ist. Eine Planetenradwelle (Antriebswelle) 7 ist ebenfalls drehbar an dem Gehäuse 3 über einen Satz von Lagern 9 gelagert. Ein Planetenrad 11 arbeitet mit einem Hohlrad 13 zusammen, welches an dem Differentialgehäuse 1 festgelegt ist. Die Drehbewegung der Planetenradwelle 7 treibt das Differentialgehäuse 1 über eine Schnittstelle zwischen dem Hohlrad 13 und dem Planetenrad 11 auf an sich übliche Weise an. Das Differentialgehäuse stellt einen Differentialdrehantrieb zwischen der Planetenradwelle und den beiden Ausgangswellen (nicht gezeigt) bereit.
• Für eine entsprechen geeignete Position der Achsanordnung muß die gesamte Achsanordnung derart montiert sein, daß die Lagervorbelastungen innerhalb einer vorbestimmten Toleranz liegen. Daher ist es wichtig, die Vorbelastung der Lager 9, welche die Planetenradwelle 7 lagern, und die Vorbelastung der Lager 5, welche das Differentialgehäuse 1 lagern, unabhängig zu messen. Die Lagervorbelastung wird dadurch gemessen, daß das Drehmoment gemessen wird, welches zur Drehbewegung der Planetenradwelle 7 und des Hohlrads 13/Differentialgehäues 1 einwirkt. Um das Drehmoment zur Ausführung der Drehbewegung der Planetenradwelle 7 und des Hohlrads 13 unabhängig zu messen, müssen das Hohlrad 13 und die Planetenradwelle 7 voneinander bei der Drehbewegung getrennt werden. In anderen Worten bedeutet dies, daß die Zähne des Hohlrads 13 und des Planetenrads 11 während der Drehbewegung nicht in Eingriff sein dürfen, wenn die zugeordneten Drehmomente gemessen werden, die bei der Drehbewegung der Planetenradwelle 7 und des Hohlrads 13 auftreten. Somit beeinflußt der Drehwiderstand einer Welle nicht den Drehwiderstand der anderen.
• ECU-gesteuerte Antriebsmotoren mit Drehzahl/Positionssensoren werden eingesetzt, um die Zahnradteile synchron in gesteuerter Weise zu drehen. Nähere Einzelheiten hiervon werden nachstehend näher erläutert. Vor dem Antreiben der Zahnradteile 11/13 müssen das Hohlrad 13 und das Planetenrad 11 jedoch derart positioniert werden, daß sie einander nicht berühren.
• Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Schnittstelle von Planetenrad 11/Hohlrad 13. Vorzugsweise wird das Planetenrad 11 stationär gehalten, und das Hohlrad 13 wird verdreht, bis ein Zahnkontakt vorhanden ist. Das Hohlrad wird dann zurückgetrieben, bis der zugeordnete Zahn des Hohlrads mit dem benachbarten Zahn der Planetenradwelle zusammenarbeitet. Die Drehbewegung des Hohlrads wird gemessen, welche das Spiel bzw. den Totgang zwischen den Zähnen des Hohlrads 13 und des Planetenrads 11 wiedergibt. Um sicherzustellen, daß das gemessene Spiel bzw. der Totgang genau ist, wird der Totgang bzw. das Spiel an einer Mehrzahl von Stellen um das Hohlrad gemessen. Mit einer größeren Anzahl von Messungen wird die Genauigkeit besser. Wenn ein großer Unterschied festgestellt wird, wird der kleinste gemessene Totgang genutzt, um die Position des Hohlrads 13 relativ zu dem Planetenrad 11 zu bestimmen. Wenn insbesondere derartige Unterschiede festgestellt werden, sollten mehr Messungen durchgeführt werden, um sicherzustellen, daß das Hohlrad innerhalb des kleinsten Totgangs positioniert ist und die Möglichkeit minimiert wird, daß während der Drehbewegung ein Zahnkontakt auftritt. Die Messungen sollen in gleichmäßigen Winkelabständen um das Hohlrad durchgeführt werden. Das Hohlrad wird einfach in aufeinanderfolgende Positionen gedreht, und das Spiel bzw. der Totgang wird gemessen und aufgezeichnet. Es ist möglich, den Totgang bzw. das Spiel zwischen dem jeweiligen Zahn des Hohlrads zu messen, aber im allgemeinen ist dies nicht erforderlich. Die Anzahl von Messungen braucht nur sicherzustellen, daß eine genaue Messung des Spiels bzw. des Totgangs vorgenommen werden kann. Insbesondere wird die Planetenradwelle verdreht, bis sie in Kontakt mit dem Hohlrad kommt. Die Planetenradwelle wird dann eine genaue Zahl von Umdrehungen mit einer festen Geschwindigkeit verdreht.
• Vorzugsweise wird die Planetenradwelle genau mit einer Anzahl von Umdrehungen im Verhältnis des Zahnradverhältnisses zu dem Hohlrad derart verdreht, daß das Hohlrad um 360° verdreht wird. Die Position des Hohlrads wird in Minuten aufgezeichnet. Die Planetenradwelle wird dann in Gegenrichtung genau mit der Anzahl von Umdrehungen wie zu Beginn verdreht, und die Hohlraddrehung wird in Minuten gemessen. Der Maximalwert, der Minimalwert und der Mittelwert für den Hohlradtotgang können basierend auf der Differenz zwischen der Position des Hohlrads nach der anfänglichen Verdrehung der Planetenradwelle und der darauffolgenden Position nach der umgekehrten Drehbewegung der Planetenradwelle bestimmt werden.
• Wenn der Totgang einmal gemessen worden ist, wird das Hohlrad 13 so verdreht, daß es mit der Planetenradwelle 11 zusammenarbeitet. Das Hohlrad 13 wird dann um den halben Abstand des gemessenen Totgangs zurückgedreht, so daß die zugeordneten Zähne des Hohlrads 13 und des Planetenrads 11 auf einer Zwischenstelle des Totgangs angeordnet sind, und nicht in Kontakt miteinander sind. Das Hohlrad 13 und das Planetenrad 11 werden dann einfach synchron zueinander derart verdreht, daß einer der Zähne des einen Zahnrads mit jenen des anderen Zahnradteils nicht in Berührung kommen. In Wirklichkeit werden das Hohlrad 13 und das Planetenrad 11 simultan getrennt voneinander gedreht. Das Drehmoment zur Verdrehung des jeweiligen Zahnradteils kann dann einfach gemessen werden, und hierdurch erhält man einen unabhängigen und genauen Meßwert für die Lagervorbelastung des jeweiligen Lagersatzes.
• Um das Hohlrad 11 und das Planetenrad 13 synchron zu drehen, müssen die Planetenradwelle 7 und das Differentialgehäuse 1 eine genaue Drehbewegung ausführen. Eine elektronische Steuereinheit 21 wird eingesetzt, um ein Paar von Elektromotoren 23/25 (oder anderen elektronisch gesteuerten Antriebseinrichtungen) genau zu steuern, welche jeweils das Differentialgehäuse 1 und die Planetenradwelle 7 antreiben. Es ist noch zu erwähnen, daß der Fachmann eine Antriebsverbindung zwischen den Motoren 23, 25 und der Planetenradwelle und dem Differentialgehäuse 1 auf geeignete Weise herstellen kann, deren nähere Einzelheiten nicht erörtert zu werden brauchen. So lange eine gesteuerte Einrichtung genau und präzise das Differentialgehäuse 1 und die Planetenradwelle 7 antreibt, ist die detaillierte Auslegung der Antriebseinrichtung für die Verfahrensweise zur Messung des Drehmoments nicht wesentlich, wenn es zur Ausführung einer Drehbewegung des zugeordneten Zahnradteils eingesetzt wird. Um die Motoren 23, 25 genau zu steuern, sind gewisse Sensoren für die Drehzahl/Drehposition erforderlich, welche immer die Position und die Drehzahl des Planetenrads 11 und des Hohlrads 13 erfassen. Diese Sensoren sind schematisch mit dem Bezugszeichen 27, 29 dargestellt. Vorzugsweise hat jeder Antriebsmotor 23, 25 einen zugeordneten Drehkodierer 27, 29, welcher mit der Steuereinrichtung 21 (ECU) zusammen arbeitet, um die gewünschte Synchronisierung der Drehbewegung des Hohlrads 13 und des Planetenrads 11 vorzunehmen. Selbstverständlich können andere Bauarten von Sensoren eingesetzt werden, wenn erreicht wird, daß die Steuereinheit genau die Drehzahl und die Drehposition der jeweiligen Welle und der jeweiligen Zahnradteile zu allen Zeitpunkten erfassen kann. Derartige Sensoren und Kodierer können beispielsweise ein integrales Teil der Antriebseinrichtung bilden.
• Auch soll noch erwähnt werden, daß zur Synchronisierung der Drehzahl des Hohlrads 13 und des Planetenrads 11 die Anzahl der arbeitenden Zähne des jeweiligen Zahnradteils bekannt sein muß. Wenn beispielsweise die Anzahl der Hohlradzähne gleich der Anzahl der Planetenradzähne ist, dann drehen sich die beiden Zahnräder mit genau derselben Geschwindigkeit bzw. Drehzahl. Wenn jedoch die Anzahl der Zähne unterschiedlich ist, wie dies häufig der Fall ist, müssen die zugeordneten Drehzahlen nach Maßgabe des Zahnradverhältnisses abgestimmt sein. Häufig ist die Anzahl der Zähne des Planetenrads kleiner als die Zahl der Zähne des Hohlrads. Folglich muß die Planetenradwelle in geeigneter Weise eine höhere Drehzahl haben. Die Fähigkeit, eine geeignete Einstellung der relativen Drehzahl nach Maßgabe der speziellen Zahnradzahnverhältnisse auf die Übersetzungsverhältnisse einzustellen, ergibt sich für den Fachmann auf diesem Gebiet ohne nähere Erläuterungen.
• Ferner ist die genaue mechanische Einrichtung zur Messung des Drehmoments zur Ausführung der Drehbewegung des zugeordneten Hohlrads 13 und des Planetenrads 11 beim Verfahren nach der Erfindung nicht wesentlich, vorausgesetzt, daß das Drehmoment zur Drehbewegung des Differentialgehäuses 1 und der Planetenradwelle 7 bei einer Drehbewegung der zugeordneten Wellen in entsprechender Weise erreicht werden kann. Beispielsweise können die Antriebsmotoren derart ausgelegt sein, daß die auftretenden Drehbelastungen gemessen werden können.
• Obgleich die Erfindung voranstehend unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsformen erläutert worden sind, ist die Erfindung natürlich nicht auf die dort beschriebenen Einzelheiten beschränkt, sondern es sind zahlreiche Abänderungen und Modifikationen möglich, die der Fachmann vornehmen kann, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen. Während bei der bevorzugten Ausführungsform die unabhängige Messung der Vorbelastung der Lager an einer Achsanordnung vorgenommen wird, kann das Verfahren nach der Erfindung auch bei anderen Zahnradanordnungen eingesetzt werden, bei denen eine Trennung der getriebenen Teile erforderlich ist, um das Drehmoment genau zu messen, welches zur Ausführung der Drehbewegung dieser Teile benötigt wird. Ferner ist die Erfindung nicht auf die speziellen Einrichtungen zur Messung des Drehmoments zur Ausführung der Drehbewegung einer Welle beschränkt. Selbstverständlich kann das Drehmoment gemessen werden, welches zur Ausführung einer Drehbewegung einer Antriebswelle (Planetenradwelle) der Gesamtanordnung des Differentials erforderlich ist. Die Erfindung ermöglicht, die Planetenradwelle von dem Hohlrad derart zu trennen, daß unabhängige Drehmomentmessungen genau durchgeführt werden können.

Claims (5)

1. Verfahren zum Messen einer Lagervorbelastung eines Hohlrads und eines Planetenrads (Antriebsrads) einer Achsanordnung, welches die folgenden Schritte aufweist:
Positionieren des Hohlrads und des Planetenrads innerhalb eines Totgangs (Spiels) zwischen denselben, so daß das Hohlrad und das Planetenrad nicht in Kontakt miteinander sind;
Verdrehen des Hohlrads und des Planetenrads synchron zur Aufrechterhaltung einer relativen Drehposition des Hohlrads zu dem Planetenrad innerhalb des Totgangs; und
Messen eines Drehmoments zur Verdrehung des Hohlrads und eines zweiten Drehmoments zur Verdrehung des Planetenrads während einer Drehbewegung des Hohlrads und des Planetenrads auf synchrone Weise.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt zum Positionieren des Hohlrads und des Planetenrads ferner die folgenden Schritte umfaßt:
zuerst wird wenigstens das Hohlrad und/oder das Planetenrad derart gedreht, daß die zugeordneten Zähne in Eingriff miteinander sind,
als zweites wird dann wenigstens das Hohlrad und/oder das Planetenrad derart verdreht, daß aufeinanderfolgende Zähne in Eingriff miteinander sind;
Bestimmung des Totgangs (Spiels) durch Messung eines Abstands zu der zweiten Drehbewegung wenigstens am Hohlrad und/oder am Planetenrad; und
als drittes das Hohlrad und das Planetenrad relativ zueinander derart verdreht werden, daß die zugeordneten Zähne innerhalb des Totgangs (Spiels) angeordnet sind.

3. Verfahren zum unabhängigen Messen einer Lagervorbelastung von Lagern, welche ein erstes und ein zweites Zahnrad in Antriebseingriff bei einer Zahnradanordnung lagern, welches die folgenden Schritte aufweist:
Positionieren des ersten Zahnrads und des zweiten Zahnrads innerhalb eines Totgangs (Spiels) zwischen denselben, so daß das erste Zahnrad und das zweite Zahnrad nicht in Kontakt miteinander sind;
Verdrehen des ersten Zahnrads und des zweiten Zahnrads in synchroner Weise zur Aufrechterhaltung einer relativen Drehposition des ersten Zahnrads mit dem zweiten Zahnrad innerhalb des Totgangs; und
unabhängiges Messen eines ersten Drehmoments zur Verdrehung des ersten Zahnrads und eines zweiten Drehmoments zur Verdrehung des zweiten Zahnrads während einer synchronen Drehbewegung von erstem Zahnrad und zweitem Zahnrad.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt zum Positionieren des ersten und des zweiten Zahnrads folgende Schritte umfaßt:
zuerst wird wenigstens das erste und/oder das zweite Zahnrad derart verdreht, daß die zugeordneten Zähne in Eingriff miteinander sind;
anschließendes Verdrehen wenigstens des ersten und/oder des zweiten Zahnrads derart, daß die aufeinanderfolgenden Zähne miteinander zusammenarbeiten;
Bestimmen des Totgangs (Spiels) durch Messen eines Abstands zu der zweiten Drehbewegung des wenigstens ersten und/oder zweiten Zahnrads; und
Verdrehen des ersten und des zweiten Zahnrades relativ zueinander als dritter Schritt derart, daß die zugeordneten Zähne im Zwischenbereich des Totgangs angeordnet sind.

5. Verfahren zum Trennen von zugeordneten Zähnen an aufeinanderfolgenden Zahnrädern einer Zahnradanordnung, welches die folgenden Schritte aufweist:
zuerst wenigstens eines der aufeinanderfolgenden Zahnräder derart verdreht wird, daß die zugeordneten Zähne miteinander zusammenarbeiten;
als zweites wenigstens eines der aufeinanderfolgenden Zahnräder derart verdreht wird, daß die aufeinanderfolgenden Zähne der zugeordneten Zahnräder miteinander zusammenarbeiten;
Bestimmen eines Totgangs (Spiels) zwischen den zugeordneten Zahnrädern durch Messen eines Abstands der als zweiten durchgeführten Drehbewegung einer der aufeinanderfolgenden Zahnräder;
als drittes wenigstens eines der aufeinanderfolgenden Zahnräder derart verdreht wird, daß die zugeordneten Zähne innerhalb des Totgangs (Spiels) angeordnet sind; und
Verdrehen der aufeinanderfolgenden Zahnräder in synchroner Weise, um eine relative Drehposition der aufeinanderfolgenden Zahnräder in einer solchen Weise aufrecht zu erhalten, daß die aufeinanderfolgenden Zähne der zugeordneten Zahnräder innerhalb des Totgangs bleiben und keiner der Zähne zwischen aufeinanderfolgenden Zahnrädern in Kontakt miteinander kommt.