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Vorrichtung zur Oberflächenkontrolle von Zahnflanken Die Zahnflanken
von verzahnten Rädern und von Zahnstangen weisen Unebenheiten auf, die von Fehlern
der Verzahnmaschine, des Verzahnwerkzeuges, der Schnittleistung und der Werkstückmaterialbeschaffenheit
herrühren. Insbesondere bei großen Zahnrädern wie Turbinengetrieberädern, die auf
der Wälzfräs- oder Wälzstoßmaschine fertig verzahnt werden und anschließend infolge
ihrer Abmessungen nicht mehr nachgeschliffen werden können, treten die Zahnflankenfehler
stark in Erscheinung, welche die spätere Laufruhe des Getriebes nachteilig beeinflussen
können. Es ist deshalb dringend erforderlich, diese Fehler zu messen, damit sie
in ihrer wahren Größe erkannt, die Ursachen lokalisiert und damit die Fehler selbst
beseitigt oder doch zumindest wesentlich ver ringert werden können. Grundsätzlich
sind zweierlei Fehlerursachen zu unterscheiden, die auf die Zahnflanken einwirken:
1. Fehler, die von der Verzahnmaschine verursacht werden, und 2. Fehler, die vom
Verzahnwerkzeug und der Materialbeschaffenheit in Verbindung mit der Schnittleistung
verursacht werden.
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Die Fehler der Verzahnmaschine, das sind Fehler des Teilgetriebes
und der Vorschubspindel des Werkzeuges, verursachen im Rhythmus der Teilschnecken-,
Vorschubspindel- und Teilradumdrehungen als Folge der Steigungs-, Taumel und Teilungsfehler
periodisch sogenannte Wellen auf den Zahnflanken des Werkstückes. Die Wellenlänge
selbst läßt sich aus der Teilungslänge des Teilrades bzw. der Steigung der Teilschnecke
im Verhältnis vom Teilkreis 0 des Teilrades zum Werkstück 0 und dem Zahnschrägungswinkel
des Werkrades sowie der Steigung der Vorschubspindel bestimmen. Damit kann die GröBe
der Amplitude der Wellen gemessen werden, die die spätere Laufruhe des Zahnrades
maßgeblich mitbestimmt.
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Die Zahnflanken-Oberflächengüte wird weiterhin von den unter 2 genannten
Ursachen beeinflußt, die mit den periodischen Wellen nicht identisch sind.
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Es sind mechanische Oberflächenprüfgeräte bekannt, mit denen die
Oberflächen von geradlinigen Flächen geprüft werden können. Eine exakte Prüfung
der Zahnflanken kann, insbesondere bei kleinem Modul jedoch mit diesen Prüfgeräten
nicht durchgeführt werden, weil die Zahnflanken in der Hauptsache evolventenförmig
ausgebildet sind.
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Weiter sind Oberflächenprüfgeräte für Wellen bekannt, bei denen über
die Oberfläche eine Sonde bewegt wird, die in einer senkrechten oder annähernd senkrechten
Richtung zur Oberfläche deren Zustand anzeigt bzw. aufzeichnet. Die Sonde ist dabei
in einem Kopfstück angeordnet, das von drei oder mehreren sich auf der zu prüfenden
Oberfläche abstützenden
Füßen getragen wird, wobei die Füße zwecks Gewährung eines
guten Sitzes der Vorrichtung auf der Welle entsprechend dem Wellendurchmesser einstellbar
sind. Mit diesen Prüfgeräten läßt sich aber genau wie mit den Prüfgeräten für geradlinige
Flächen mit ausreichender Genauigkeit weder eine Zahnflankenwelligkeit noch eine
Zahnflankenrauhigkeit ausmessen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Oberflächenkontrolle
zu schaffen, welche die Nachteile der bekannten Vorrichtungen nicht aufweist, die
bei geringstem Geräteaufwand eine exakte Untersuchung der Zahnflankenwelligkeit
und der Zahnflankenoberflächengüte bei hoher Meßgenauigkeit gewährleistet und die
einfach zu handhaben ist.
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Die Erfindung bezieht sich also auf eine Vorrichtung zur direkt an
der Verzahnmaschine oder, im eingebauten Zustand des Teiles, im Getriebe durchführbaren
Oberflächenkontrolle der Zahnflanken von insbesondere großen verzahnten Teilen.
Die erstrebten Eigenschaften sind erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zwischen
zwei an die Zahnflanken anzulegenden, an einem festen Vorrichtungsteil befestigten
Stütztastern, deren Auflagepunkte bzw. -schneiden eine einzige Bezugsgerade festlegen
und deren gegenseitiger Abstand nach Maßgabe der Natur der zu untersuchenden Oberflächenunebenheiten
gewählt ist, ein Meßtaster angeordnet ist, der fest mit einer gegen die Wirkung
einer vorspannenden Kraft drehbaren Welle derart verbunden ist, daß sein Berührungspunkt
mit der Oberfläche normalerweise, d. h. bei einwandfreier Oberfläche, in die Bezugsgerade
zu liegen kommt und dort bei Bewegung der Vorrichtung verbleibt, und daß zur prinzipiell
an sich bekannten Umsetzung der Meßtasterbewegungen in elektrische Großen mit der
Welle wiederum ein Bauteil einer elektrischen Reaktanz bzw. eines Reaktanzsystems
verbunden und damit relativ zu einem anderen festliegenden Bauteil derselben
Reaktanz
beweglich ist, so daß der Wert der Reaktanz durch die der relativen Lage des Auflagepunktes
des Meßtasters entsprechende, relative Lage ihrer beiden Bauteile zueinander bestimmt
ist.
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Diese Vorrichtung kann von Hand an den Zahnflanken entlanggeführt
w.erden. Es kann aber auch erwünscht sein, die Kontrolle direkt auf der Verzahnmaschine
maschinell durchzuführen. Daher ist die Vorrichtung für maschinellen Einsatz nach
einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung dahingehend ausgestaltet, daß die
aus den Stütztastern, der Grundplatte, dem Meßtaster und dem Reaktanzsystem gebildete
konstruktive Einheit um eine parallel zu der von den Stütztastern bestimmten Geraden
liegende Achse und um eine in der Richtung des Meßtasters liegende Achse drehbar
in einer Halterung gelagert ist, die derart an derVerzahnungsmaschine befestigbar
ist, daß die ganze Vorrichtung bei Betrieb der Maschine entlang der zu untersuchenden
Zahnflanken geführt wird.
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Es wurde oben festgestellt, daß der gegenseitige Abstand der Stütztaster
voneinander nach Maßgabe der Natur der zu untersuchenden Oberflächenunebenheiten
zu wählen ist. Bei der Zahnflankenwelligkeit handelt es sich um sich periodisch
wiederholende Wellen in der Oberfläche, deren Wellenlänge bei großen Zahnrädern
einige Zentimeter beträgt. Der genaue Wert ist aus den Daten der~Verzahnungsmaschine
berechenbar. Um diese Unebenheiten messen zu können, müssen die Stütztaster möglichst
genau eine Wellenlänge voneinander entfernt sein, so daß sie beim Gleiten iiber
die Zahnflanke in zwei aufeinanderfolgende »Täler« zu liegen kommen, während der
Meßtaster dann auf einem »Berg« aufliegt.
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Soll dagegen die Oberflächengüte untersucht werden, also gewissermaßen
die Feinstruktur der Oberfläche, so muß die durch die Stütztaster gebildete Bezugsgerade
bis dicht an den jeweiligen Meßpunkt herangeführt werden, d. h., die in diesem Falle
zweckmäßig als Schneiden ausgeführten Stütztaster dürfen nur eine schmale Lücke
zwischen sich offen lassen, in der der Meßtaster liegt.
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Bei prinzipiell völlig übereinstimmendem Aufbau unterscheidet sich
demgemäß eine Vorrichtung nach der Erfindung für die Untersuchung der Zahnflankenwelligkeit
von einer solchen für die Untersuchung der Oberflächengüte nur durch die Art und
die Anordnung der Stütz- und Meßtaster.
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Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnung in einer Ausführungsform
als Vorrichtung zur Kontrolle der Zahnflankenwelligkeit und in einer Ausführungs-Form
zur Kontrolle der Oberflächengüte näher erläutert werden.
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Fig. 1 zeigt zwei Ansichten einer Ausführungsform der Erfindung zur
Kontrolle der Zahnflankenwelligkeit; Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung
ur Kontrolle der Oberflächengüte in zwei Ansichten; Fig. 3 stellt der Übersicht
halber als Einzelteil gezeichnet, die Halterung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
für den maschinellen Einsatz dar.
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In Fig. 1 ist eine zur Kontrolle der Zahnflankenwelligkeit geeignete
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch dargestellt. Sie besteht
aus dem Gehäuse 1 und der Grundplatte 2, auf der die Stütztaster 4 und der Meßtaster
7 montiert sind. Die Stütztaster sind verschiebbar am Stütztasterträger 3 anbebracht
und können so auf einen der zuvor errechneten Wellenlänge entsprechenden Abstand
gebracht werden. Sie sind auswechselbar.
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Vermittels eines Trägerbolzens 6 ist noch ein weiterer Stütztaster
5 an der Grundplatte 2 befestigt. Auch er ist auswechselbar. Er ist längs des Trägerbolzens
verschiebbar und auch in seiner Halterung in Richtung seiner Längsausdehnung verstellbar.
Die Stütztaster 4 und der Meßtaster 7 besitzen Spitzen in Gestalt von Kugeln. Diejenige
des Meßtasters ist etwas kleiner als die der Stütztaster. Der Meßtaster ist mit
der drehbar gelagerten Welle 8 fest verbunden, die durch die Feder 9 vorgespannt
ist. Mit der Welle 8 wiederum und damit mit dem Meßtaster ist der eine Belag 10
eines Kondensators 10, 11 mechanisch fest verbunden, dessen zweiter Belag 11 am
Gehäuse fest angebracht ist.
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Die Handhabung der Vorrichtung ist folgende: Nachdem die Stütztaster
4 auf einen Abstand gebracht worden sind, der der errechneten Wellenlänge entspricht,
wird die Vorrichtung auf den Prüfling, d. h. auf einen Zahn, so aufgesetzt, wie
es der rechte Teil der Fig. 1 zeigt. In ihm ist gestrichtelt das Profil eines Zahnes
Z eingezeichnet. An der rechten Zahnflanke liegen die Stützkugeln und die Meßkugel
an, während der längs des Trägerbolzens 6 auf die Zahnbreite eingestellte Stütztaster
5 in seiner Längsrichtung bis an den gegenüberliegenden Zahnfuß (gestrichelter Pfeil
P) herangeschoben wird. In dieser Lage wird die Vorrichtung längs der gesamten Zahnradbreite
geführt, so daß die durch die Welligkeit der Flankenoberfläche hervorgerufene Bewegung
des Meßtasters über die Welle 8 auf den Kondensatorbelag 10 übertragen wird. Damit
ändert sich der Plattenabstand des Kondensators 10, 11 im Rhythmus der Bewegung
des Meßtasters und proportional der Amplitude dieser Bewegung, damit aber auch proportional
der Amplitude der Zahnflankenwelligkeit.
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Fig. 2 zeigt schematisch eine für die Kontrolle der Oberflächengüte
geeignete Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Da hierbei von einem
bestimmten, sehr kleinen Abstand der Stütztaster 4 voneinander ausgegangen werden
kann, sind sie als zwei durch eine schmale Lücke voneinander getrennte Schneiden
eines gemeinsamen Teils ausgebildet. In die Lücke ragt der wie vorhin drehbar gelagerte
Meßtaster 7. Er besitzt einen auswechselbaren Stift mit einer Diamantspitze od.
dgl. von etwa 2 11 Radius.
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Der Trägerbolzen 6 mit dem weiteren Stütztaster 5 der Ausführungsform
nach Fig. 1 kann hier entfallen, alle anderen Teile (Welle 8, Feder 9, Kondensator
11, 10) aber entsprechen nach Aufbau und Funktion den entsprechenden Teilen der
Fig. 1. Die Schneiden der Stütztaster sind zusammen mit der Meßtasterspitze so ausgebildet,
daß das Meßgerät um rund 300 geschwenkt werden kann, ohne daß sich der Meßwert ändert.
Das bedeutet, daß beim Prüfen von Hand durch eine Verdrehung der Vorrichtung von
bis zu 30" noch keine Meßfehler auftreten.
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Die Veränderung des Abstandes der Platten bzw.
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Beläge eines Kondensators voneinander hat bekanntlich eine entsprechende
Kapazitätsänderung zur Folge.
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Die Kapazitätsänderungen des Kondensators 10, 11 können nun in irgendeiner
bekannten Weise gemessen und durch Eichung zur Ermittlung der Zahnflankenwelligkeit
bzw. der Oberflächengüte ausgewertet werden. Die Messung kann z. B. als Scheinwiderstandsmessung
bei einer geeigneten Frequenz durchgeführt werden. Der Kondensator kann aber auch
als frequenzbestimmendes Glied eines Oszillators geschaltet sein, so daß sich seine
Kapazitätsänderungen als Änderungen der von diesem Oszillator erzeugten Frequenz
äußern. Diese derart modulierte Frequenz
kann einer Festfrequenz
überlagert werden, die so gewählt ist, daß sich als Mischprodukt eine Tonfrequenz
ergibt, deren Modulation zur Bestimmung der Verzahnungsfehler ausgewertet wird.
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An Stelle eines Kondensators könnte als Reaktanz auch eine veränderbare
Induktivität verwendet werden oder ein System von Induktivitäten, wie es zwei unter
veränderbarem Abstand-gekoppelte Spulen darstellen.
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Wesentlich ist nur, daß die Bewegung des Meßtasters in eine elektrische
Größe umgesetzt wird, die in einer einfachen und präzisen Weise erwünschtenfalls
eine Verstärkung erlaubt und sehr genau meßbar ist.
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Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung führt - gleichgültig
ob für die Kontrolle der Welligkeit oder der Oberflächengüte - zu Ausführungsformen,
die maschinell eingesetzt werden können, insbesondere direkt in Verbindung mit der
Verzahnungsmaschine. Der besseren Darstellung halber ist der zusätzliche Teil dieser
Ausführungsform in Fig. 3 für sich herausgezeichnet. Sein Zusammenwirken mit den
konstruktiven Einheiten der Fig. 1 oder 2 ist leicht verständlich. Im Rahmen 12
ist eine Welle 17 drehbar gelagert, an der abnehmbar die Einheit nach z. B. Fig.
1 befestigt ist. Die Welle 17 wird durch die Feder 13 in der Mittellage gehalten
und ist, wie bemerkt, um ihre Achse gegen die Wirkung der Feder verdrehbar. Im Abstandsstück
14 ist einerseits die Feder 13 und andererseits die Welle 15 gelagert. Die zweite
Lagerstelle dieser Welle ist im Rahmen 12 vorgesehen. Die Welle 15 ist an einer
Platte 16 befestigt, die an der Verzahnmaschine angebracht werden kann.
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Mit Hilfe der Drehbarkeit des eigentlichen Meßteiles der Vorrichtung
um die Achsen 15 und 17 kann es auch nach Festlegung der Halterung an der Maschine
in die jeweils erforderliche Lage gebracht werden.
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PATENTANSPROCHE: 1. Vorrichtung zur direkt an der Verzahnmaschine
oder, im eingebauten Zustand des Teiles, im Getriebe durchführbaren Oberflächenkontrolle
der Zahnflanken von insbesondere großen verzahnten Teilen, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen zwei an die Zahnflanken anzulegenden, an einem festen Vorrichtungsteil
(Grundplatte 2) befestigten Stütztastern (4), deren Auflagepunkte bzw. -schneiden
eine einzige Bezugsgerade festlegen und deren gegenseitiger Abstand nach Maßgabe
der Natur der zu untersuchenden Oberflächenunebenheiten gewählt ist, ein Meßtaster
(7) angeordnet ist, der fest mit einer gegen die Wirkung einer vorspannenden Kraft
(Feder 9) drehbaren Welle (8) derart verbunden ist, daß sein Berührungspunkt mit
der Oberfläche normal erweise, d. h. bei einwandfreier Oberfläche, in die Bezugsgerade
zu liegen kommt und dort bei Be wegung der Vorrichtung verbleibt, und daß zur
prinzipiell
an sich bekannten Umsetzung der Meßtasterbewegungen in elektrische Größen mit der
Welle wiederum ein Bauteil (z. B. Kondensatorbelag 10) einer elektrischen Reaktanz
bzw. eines Reaktanzsystems (z. B. Kondensator 10, 11) verbunden und damit relativ
zu einem anderen, festliegenden Bauteil (z. B. Kondensatorbelag 11) derselben Reaktanz
beweglich ist, so daß der Wert der Reaktanz durch die der relativen Lage des Auflagepunktes
des Meßtasters entsprechende, relative Lage ihrer beiden Bauteile zueinander bestimmt
ist.