DE19740141C1 - Verfahren zur Ermittlung einer Drallstruktur in der Oberflächenrauheit eines feinbearbeiteten Wellenzapfens - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Ermittlung einer Drallstruktur in der Oberflächenrauheit eines feinbearbeiteten Wellenzapfens nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Für eine sichere Dichtfunktion an Wellen-Durchtrittstellen durch Gehäusewandungen sind außer dem mit einer ringförmigen Radial­ dichtlippe versehenen Dichtring auch die Eigenschaften der zap­ fenseitigen Gegenlauffläche mit zu berücksichtigen. Es handelt sich in aller Regel um umfangsgeschliffene Zapfenoberflächen. Andere Möglichkeiten der Feinbearbeitung sind Glattwalzen, Rol­ lieren, Außenreiben und Feindrehen. Der Konstrukteur schreibt für den Wellenzapfen außer bestimmten Rauheitswerten auch noch Drallfreiheit der Schleifstruktur vor. Drallfrei bedeutet, daß die Schleifstruktur exakt in Umfangsrichtung liegt und überla­ gerte regelmäßige Wellenanteile fehlen.

Es wird bisher weithin angenommen, daß das sog. Einstechschleif­ verfahren zu drallfreien Strukturen führt. Jedoch bereits mit der unsicheren sog. Fadenmethode - näheres dazu weiter unten - läßt sich nachweisen, daß zumindest bei bestimmter Kombination von Arbeitsparametern auch beim Einstechschleifverfahren Drall­ strukturen auf der solcherart feinbearbeiteten Werkstückoberflä­ che entstehen können.

Die Radialdichtlippe eines Dichtringes liegt mit einer gummiela­ stischen Dichtkante an der Oberfläche des Wellenzapfens mit de­ finierter Radialkraft und auf einer bestimmten axialen Breite an. Durch die Rotation des Wellenzapfens wird der Anlagebereich der Dichtlippe in Umfangsrichtung in Abhängigkeit vom lokalen, radialen Anlagedruck unterschiedlich stark deformiert; geringere Deformationen liegen randnah und stärkere Umfangsverformungen mehr im Mittelbereich des Anlagestreifens. Dies führt zu einem sensiblen tribologischen und rheologischen Gleichgewicht mit ei­ nem einerseits die Schmierung der Kontaktzone gewährleistenden Ölfluß und andererseits die Dichtfunktion der Ringdichtung Auf­ rechterhaltenden Rückfördermechanismus. Dieses Gleichgewicht darf nicht durch eine Drallausprägung in der Mikrostruktur der Gegenlauffläche gestört werden. Eine drallbedingte Förderwirkung in der einen oder anderen Richtung ist zu vermeiden. Bei drall­ bedingtem Fördereffekt in das abgedichtete Innere des Gehäuses würde die Dichtung trockenlaufen, Außenschmutz würde in die Kon­ taktzone hineingefördert werden und die Dichtung würde vorzeitig verschleißen und undicht werden. Ein nach außen gerichteter För­ dereffekt würde zwar ein Trockenlaufen der Dichtung verhindern aber zu einem Ölaustritt an der Abdichtstelle führen, der aus unterschiedlichen Gründen mehr oder weniger strikt abzulehnen ist.

Die Überwachung dieser Eigenschaften erfolgte, wenn überhaupt, bisher durch die sog. Fadenmethode, die jedoch nur sehr unsiche­ re Aussagen zuließ, was jedoch häufig gar nicht bemerkt wurde. Bei der Fadenmethode wird ein nach Struktur, Material und Stärke definierter, ölgetränkter Faden um den horizontal ausgerichteten Wellenzapen oberseitig zu etwas mehr als 180° herumgeschlungen; die herabhängenden Enden werden gemeinsam an ein kleines Gewicht befestigt und der Faden dadurch definiert belastet. Die Welle wird nun 20 mal langsam in der einen Drehrichtung und anschlie­ ßend 20 mal in der anderen Richtung verdreht. Die axiale Ver­ fahrstrecke des Fadens auf der Zapfenoberfläche wird als Maß der Drallstruktur gewertet. Die Fadenmethode liefert zwar ein klares Meßergebnis. Vergleichsmessungen der Anmelderin mit der Fadenme­ thode einerseits und der vorliegenden Erfindung andererseits ha­ ben jedoch ergeben, daß die mit der Fadenmethode gewonnenen Me­ ßergebnisse in keiner Weise repräsentativ für die tatsächliche Drallstruktur der Zapfenoberfläche sind. Die mit der Faden­ methode erhältlichen Meßergebnisse korrelieren auch keineswegs mit den beobachtbaren Dichtheitsergebnissen oder Lebensdauern eingebauter Radialwellendichtringe.

Die DE 31 01 410 A1 zeigt ein berührungsfrei arbeitendes Verfah­ ren zur Ermittlung der Rauheit einer Oberfläche, die periodische Unebenheiten aufgrund von Bearbeitungsvorgängen wie Drehen oder Fräsen aufweist. Als ein in diesem Zusammenhang typisches Bei­ spiel für periodische Unebenheiten sind dort die vorschubabhän­ gigen Drehrillen auf der Oberfläche eines auf einer Drehbank be­ arbeiteten Werkstückes genannt. Bei dem bekannten Verfahren wird das Schallremissionsverhalten der Oberfläche gegenüber definiert eingestrahltem Ultraschall, dessen Wellenlänge etwa der Wellen­ länge der zu ermittelnden Oberflächen-Periodizitäten entspricht, untersucht und aus dabei gewonnenen Beobachtungen und Meßwerten auf die Oberflächengestalt geschlossen.

Die DE 31 21 161 A1 zeigt ein optisches Verfahren, mit dem die beim Honen von Zylinderinnenflächen oberflächlich erzeugte Kreuzriefenstruktur untersucht und geprüft werden kann. Hierbei wird das Remissionsverhalten der bearbeiteten Oberfläche gegen­ über einem definiert eingestrahlten Primärlichtbündel unter­ sucht. Das remittierte Sekundärlicht weist eine dem Winkel der Kreuzriefenstruktur entsprechende Intensitätsverteilung auf, die erfaßt und ausgewertet wird.

Die US-PS 5 321 894 zeigt ein Tastschnittgerät zur berührenden Ermittlung der Mikro-Topographie einer Werkstückoberfläche. Da­ bei wird eine Tastnadel, deren Führung sich über eine Gleitkufe auf dem zu untersuchenden Oberflächenbereich abstützt und die die Referenzhöhe der Meßeinrichtung liefert, nach und nach an einer Vielzahl verschiedener Oberflächenpunkte auf die Oberflä­ che abgesenkt und die Mikro-Höhenkoordinate des angetasteten Oberflächenpunktes ermittelt. Die angetasteten Oberflächenpunkte sind dicht beabstandet und nach einem Flächenraster verteilt an­ geordnet. Ihre Lagekoordinaten innerhalb der Fläche sind be­ kannt. Die zusammengehörigen Raumkoordinaten der angetasteten Oberflächenpunkte werden EDV-mäßig gespeichert und daraus durch geeignete Weiterverarbeitung ein Bild der Mikro-Topographie der generiert, wobei unterschiedlichen Höhen durch unterschiedliche Farben dargestellt werden können.

Dieser Stand der Technik liefert dem Fachmann weder einzeln noch in einer Zusammenschau irgend welche Hinweise dahin, wie etwaige Drallstrukturen in der Mikro-Topographie von feinbearbeiteten Zylinderoberflächen qualitativ und quantitativ gesichert ermit­ telt werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Ermittlung einer Drallstruktur in der Oberflächenrauheit eines feinbearbeiteten Wellenzapfens aufzuzeigen, das qualitativ und quantitativ gesi­ cherte Aussagen über die Ausbildung und Stärke der Ausprägung einer Drallstruktur in der Oberfläche eines Wellenzapfens ermög­ lichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Danach wird die Mikrostruktur der Zapfenoberfläche durch eine Vielzahl von Meßtastpunkten er­ faßt, wobei in Axialrichtung eine wesentlich höhere Punktedichte als in Umfangsrichtung gewählt wird. Nach geeigneter Wahl der Darstellungsmaßstäbe für die einzelnen Raumrichtungen - Überhö­ hung bzw. Dehnung in Radial- bzw. Axialrichtung und Stauchung in Umfangsrichtung - wird bei einer plastischen Darstellung der Meßpunkte die Topographie eine Drallstruktur deutlich erkennbar.

Die Vorteile der Erfindung liegen darin, daß eine Drallstruktur an feinbearbeiteten Zapfenoberflächen damit erstmals deutlich und sicher erkennbar gemacht werden kann. Bei stärkerer Ausprä­ gung eines Dralles können bereits aus einer solchen Primärdar­ stellung der Topographie die wichtigsten Charakteristika wie Drallwinkel, Gängigkeit, Ganghöhe und andere ermittelt werden. Sollen noch weitergehende Kenngrößen, z. B. auch der Förderquer­ schnitt ermittelt werden oder handelt es sich um eine weniger stark ausgebildeten Drall, so wird aus der Darstellung der Meß­ punkte eine flächenhafte Autokorrelationsfunktion gebildet. Die damit ermittelbare Sekundär-Topographie stellte ein ähnliches Bild wie die Primär-Topographie dar, bei der jedoch die stocha­ stischen Rauheitsanteile eliminiert und im wesentlichen nur noch die periodischen Anteile enthalten sind.

Aus der Darstellung der Mikrostruktur der Oberfläche werden für den geübten "Leser" sogar die Ursachen der Drallerzeugung er­ kennbar. Jede Art von Drallursachen erzeugt ein anderes Bild ei­ ner Mikrostruktur der Oberfläche. Aufgrund der mit der Erfindung gewonnenen Erfahrungen kann man hier z. B. den Abrichtdrall und den Schränkungsdrall als die beiden wichtigsten Vertreter von Drallformen unterscheiden, die beim Schleifen von Zylinderflä­ chen entstehen können.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteran­ sprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles nach­ folgend noch erläutert; dabei zeigen:

Fig. 1 schematisch das Zusammenarbeiten von Schleifscheibe und Werkstück, wobei die Übertragung eines Abrichtdralls der Schleifscheibe auf das Werkstück veranschaulicht wird,

Fig. 2 schematisch die gegenseitige Anordnung von Schleifscheibe und Werkstück in fehlerhafterweise geschränktem Zustand der Rotationsachsen,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel einer Tastschnittvorrichtung zur Durchführung des Drallermittlungsverfahrens,

Fig. 4a und 4b jeweils in abgewickelter Darstellung und einander gegenüberstellend die Seitenverhältnisse eines mit mehre­ ren axial verlaufenden Tastschnitten erfaßten Umfangs­ streifens auf einem Wellenzapfen einerseits (Fig. 4a) und die axiale Dehnung und periphere Stauchung dieses Strei­ fens zu einem "Bild" mit gewohntem Seitenverhältnis ande­ rerseits (Fig. 4b),

Fig. 5 eine auschnittsweise Darstellung einer idealisierten Drall-Topographie mit Eintragung der verschiedenen Drall­ kenngrößen,

Fig. 6 eine Schar von stärker beabstandet dargestellten Rau­ heitsprofilen, in der sowohl - wegen des größeren Abstan­ des - die einzelnen Profillinien als auch eine Drallstruk­ tur erkennbar sind,

Fig. 7 eine erfindungsgemäße Darstellung der Rauheit eines Um­ fangsstreifens einer feinbearbeiteten Zylinderfläche mit Nulldrall, wobei die Zeilenstruktur trotz geringer Rauheit deutlich erkennbar ist,

Fig. 8 eine ähnliche Darstellung der Rauheit wie in Fig. 7 bei einer drallbehafteten Oberfläche mit größerer Rauheit, bei der eine Zeilenstruktur und somit ein Drall nicht erkenn­ bar ist und

Fig. 9 eine flächenhafte Autokorrelationsfunktion der Darstel­ lung nach Fig. 8, bei der die stochastischen Rauheitsan­ teile eliminiert sind und somit die periodische Zeilen­ struktur der Rauheit und somit die Drallstruktur deutlich zu erkennen ist.

Die Drallentstehung beim Schleifen erfolgt einerseits über den Abrichtvorgang der Schleifscheibe oder über Parallelitätsabwei­ chungen zwischen Schleifscheiben- und Werkstückachse. Dement­ sprechend unterscheidet man unterschiedliche Drallarten.

Beim Abrichtdrall (Entstehung in Fig. 1, Topographie in Fig. 6) entsteht zunächst auf der Schleifscheibe 1 durch das Abrich­ ten mit einem sog. Vlies oder mit einem Diamanteinkorn eine ein­ gängige Abrichtwendel 2, die beim Schleifprozess auf dem Werk­ stück 3 entsprechend der geringeren Umlaufgeschwindigkeit des­ selben eine flachere Linie 4 hinterläßt, die sich im allgemeinen als mehrgängige Drallstruktur auf das Werkstück überträgt.

Beim Schränkungsdrall (Fig. 2) liegt die Ursache in einem Schränkungswinkel Φ nach DIN 8630 als Abweichung von der Paral­ lelität zwischen Rotationsachse 5 der Schleifscheibe 1 und der (6) des Werkstücks 3.

Beim Nulldrall (Fig. 7) beobachtet man eine Drallausprägung wie beim Abrichtdrall mit der Besonderheit, daß der Drallwinkel ex­ akt gleich Null ist.

Der Abrichtdrall und der Nulldrall sind von ihrer Ausprägung her der Welligkeit zuzuordnen und der Schleifstruktur überlagert. Sie sind über der gesamten Dichtfläche gleichmäßig ausgeprägt und haben die Eigenschaft der Durchgängigkeit. Dies bedeutet, daß der Gang eines Dralls über dem Umfang kontinuierlich um­ läuft. Die Durchgängigkeit ist solange gegeben, wie der Wellig­ keitsanteil des Dralls noch mindestens gleich groß ausgeprägt ist wie der Rauheitsanteil der Schleifstruktur.

Eine Drallausprägung beeinträchtigt die Dichtfunktion der Fläche umso mehr, je größer der Drallwinkel ist und je größer der Flä­ chenquerschnitt eines oder mehrerer Gänge ist. Bisher wurde schon eine große Anzahl von Dichtflächen mit Drallstrukturen ge­ messen und eine große Vielfalt in der Drallausprägung entdeckt. Zur eindeutigen Beschreibung dieser stark unterschiedlichen Drallstrukturen wurden die weiter unten erwähnten Kenngrößen eingeführt.

Zur eindeutigen Ermittlung von Drallstrukturen an feinbearbeite­ ten Wellenzapfen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Meßeinrichtung 10 benötigt (Fig. 3), welche im dargestellten Beispiel eine Meßspindel (Spindelstock 11) mit Spannfutter 12 zur lagedefinierten Aufnahme des Bauteils aufweist. Das Werk­ stück muß damit reproduziergenau mindestens im Minutenbereich positioniert werden können; optimal wäre eine Positioniergenau­ igkeit von ±5 Winkel-Sekunden. Das den Wellenzapfen 13 tragende Bauteil muß konzentrisch zur Rotationsachse 14 des Wellenzapfens beim Messen drehbar und drehantreibbar in einer Werkstückaufnah­ me 12 in der Weise aufgenommen werden können, daß es bei exakter Gleichlage der Rotationsachse 14 in definierten Winkelinkremen­ ten 15 verdrehbar und in jeder beliebigen Winkelposition arre­ tierbar ist. Die Umfangsstellung des Wellenzapfens 13 muß als datenverarbeitbares Signal anzeigbar und in eine Signalauswer­ tung weitergebbar sein.

Die Meßeinrichtung 10 ist ferner mit einer Tastschnitteinheit 16 zum Abtasten des Wellenzapfens entlang einer definierten geraden Linie versehen. Die quer zur Bauteiloberfläche, d. h. radial zur Rotationsachse 14 verstellbare Abtasteinheit 16 trägt eine spit­ ze Tastnadel 17, die auf die Oberfläche aufsetzbar und mittels eines Linearvorschubes 18 auf der Oberfläche mit geringer Ver­ fahrgeschwindigkeit und hoher Aufzeichnungsdichte parallel zur Rotationsachse 14 verfahrbar ist. Zur Eliminierung von großen Welligkeiten oder Formabweichungen des Zapfens von einer exakten Zylinderform wird die Tastnadel zweckmäßigerweise über Kufen an der Zapfenoberfläche abgestützt, so daß lediglich noch die Rau­ heiten der Oberfläche mit der Abtastnadel ertastet werden. Die abtastbedingten Erhebungen der Tastnadel sind mittels eines hochauflösenden Weggebers (Auflösung kleiner als 1 µm) detek­ tierbar und als datenverarbeitbare Signale in eine Signalauswer­ tung weitergebbar. Der Anfangspunkt der Verfahrbewegung, d. h. der Beginn der Aufzeichnung in Relation zur Axialposiotion des Wellenzapfens ist für jeden einzelnen Tastschnitt exakt detek­ tierbar und ebenfalls als datenverarbeitbares Signal in die Signalauswertung weitergebbar.

Die in Fig. 3 angedeutete Meßeinrichtung 10 ist auf der Basis eines herkömmlichen Tastschnitt-Gerätes aufgebaut, welches durch einen Meßspindelstock 11 ergänzt ist. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, daß geeignete Geräte auch auf der Basis eines Form­ prüfgerätes zur Formprüfung von zylindrischen Flächen aufgebaut sein können. Diese weisen einen horizontalen Meßtisch mit Kreuz­ schlitten zur Aufnahme des Werkstückes auf, wobei die zu über­ prüfende zylindrische Fläche mit ihrer Zylinderachse vertikal stehend angeordnet ist. Oberhalb des Meßtisches ist eine den Ta­ ster haltende, vertikale Pinole angebracht, deren Achse mittig zum Meßtisch liegt. Das Werkstück ist relativ zum Taster um eine vertikale Achse verdrehbar und mit hoher Genauigkeit positio­ nierbar, wobei die dazu erforderliche Drehbewegung durch eine Drehscheibe auf dem Meßtisch oder durch eine Verdrehbarkeit der Pinole oder eine drehgelagerte Spindel in der Pinole realisiert sein kann.

Zur Ermittlung einer Drallstruktur auf einem Wellenzapfen wird folgendermaßen verfahren: Auf einem interessierenden Umfangs­ streifen 19 des Wellenzapfens 13 werden mehrere axial ausgerich­ tete Tastschnitte 20 mit hoher axialer Meßpunktdichte an unter­ schiedlicher aber jeweils exakt bekannter Umfangsposition sowie mit jeweils exakt bekannter Axiallage durchgeführt.

Die Drallstruktur auf dem Wellenzapfen 13 wird im Bereich eines solchen Umfangsstreifens 19 ermittelt, an der eine geschlossene Dichtlippe einer Ringdichtung am Wellenzapfen anliegt. Bei der Drallermittlung an Neuteilen kann der unmittelbare Anlagebereich der Dichtlippe angetastet werden. Bei Altteilen, bei denen der Anlagebereich der Dichtlippe durch Wellenverschleiß beeinträch­ tigt ist, wird man einen dicht daneben liegenden Umfangsstreifen antasten in der berechtigten Erwartung, daß dieser Streifen die gleiche Mikrostruktur aufweist, wie sie der unmittelbare Anlage­ bereich ursprünglich auch aufgewiesen hatte. Bei der Messung sollte die Datenerfassung auf einem mindestens viermal so brei­ ten, vorzugsweise etwa zehnfach breiten Umfangsstreifen des Wel­ lenzapfens erfolgen, als der Anlagebreite der Dichtlippe auf dem Wellenzapfen entspricht. Die graphische Darstellung der Meßwerte in der gezeigten Weise kann auf einen schmaleren Streifen (Maß b in Fig. 4a) beschränkt bleiben.

Um eine deutliche Darstellung einer Drallstruktur zu bekommen, sollte die Dichte der Meßpunkte beim Tastschnitt 100 bis 1000 Meßpunkte je Millimeter, vorzugsweise 200 bis 400 Meßpunkte je Millimeter betragen. In Umfangsrichtung kann ein wesentlich grö­ ßerer Abstand der Meßpunkte vorgesehen werden, und zwar darf in Umfangsrichtung die Meßpunktdichte etwa dem 0,5- bis 2-fachen der Periodenlänge der periodischen Anteile der Drallstruktur entsprechen. Dafür sollte in der Regel der gesamte Umfang des Wellenzapfens (Maß U in Fig. 4a) erfaßt werden. Demgemäß werden auf dem Umfang gleichmäßig verteilt etwa 30 bis 120, vorzugswei­ se 60 bis 75 Tastschnitte durchgeführt. Bei höhergängigen Drall­ strukturen - beispielsweise ab einer Gangzahl von 15 - muß al­ lerdings mit einer z. T. wesentlich höheren Auflösung in Umfangs­ richtung gewählt werden. Dafür braucht in einem solchen Fall nicht der ganze Umfang erfaßt zu werden, sondern es können le­ diglich über einen - vorzugsweise dezimalen - Bruchteil des Ge­ samtumfanges gleichmäßig verteilt 30 bis 120, vorzugsweise 60 bis 75 Tastschnitte durchgeführt werden.

Die einzelnen lokalen Rauheitsprofile 21 der verschiedenen Tast­ schnitte 20 werden gemäß ihrer axialen und umfangsmäßigen Rela­ tivlage auf dem Wellenzapfen 13 lageentsprechend in dichter Fol­ ge nebeneinander ausgedruckt. Dabei werden die Meßaufschriebe 21 in Radialrichtung überhöht und in Axialrichtung gedehnt (Maß b' in Fig. 4b) sowie in Umfangsrichtung gestaucht (Maß U' in Fig. 4b) wiedergegeben. Die Meßaufschriebe werden in Radialrichtung, d. h. in Richtung der Oberflächenrauheit um das 400- bis 2000- fache, vorzugsweise um das 500- bis 1000-fache überhöht ausge­ druckt. In den Fig. 6, 7 und 8 ist jeweils der diesbezügliche gewählte Maßstab durch Einzeichnen einer entsprechenden Strecke und des zugeordneten Maßes angedeutet. In Axialrichtung 22 wer­ den die Meßaufschriebe um das 50- bis 200-fache gedehnt ausge­ druckt. In den Fig. 6, 7 und 8 ist jeweils der diesbezügliche Maßstab durch Skalierungsstriche angedeutet, die jeweils 1/10 mm entsprechen. In Umfangsrichtung 23 werden die Meßaufschriebe auf ein Fünftel bis zur Hälfte gestaucht ausgedruckt. Die Fig. 6, 7 und 8 geben in der perspektivisch nach hinten gerichtet Um­ fangsrichtung 23 jeweils einen vollen Umfang des Werkstückes wieder.

Durch diese unterschiedlichen Wiedergabemäßstäbe für die einzel­ nen Dimensionen wird zwar eine bezüglich der einzelnen Dimensio­ nen unterschiedlich affin verfälschte, aber die Mikrostruktur der Oberfläche des Umfangsstreifens 19 in Schrägansicht pla­ stisch veranschaulichende Topographie sichtbar gemacht. Bei der in Fig. 6 in Umfangsrichtung bewußt gegenüber der Normaldar­ stellung (z. B. nach Fig. 7 oder 8) gedehnten Anordnung der ein­ zelnen Rauheitsprofile 21 sind dort die einzelnen Meßaufschriebe jeweils für sich als Einzellinien erkennbar. Nachdem die Drall­ struktur bei diesem Beispiel relativ stark ausgeprägt war, ist selbst bei dieser gedehnten Darstellungsweise die Drallstruktur erkennbar. Bei einer dichteren Darstellung der Rauheitsprofile z. B. gemäß Fig. 5, Fig. 7 oder Fig. 9 wird eine Drallstruktur noch deutlicher, insbesondere dann, wenn die Rauheitsprofile farblich dargestellt werden. Ähnlich wie in der Geographie bei der Darstellung von Gebirgen werden für unterschiedlich hoch liegende Bereiche der Profillinien jeweils unterschiedlich Far­ ben verwendet. Trotz Ineinanderlaufens der einzelnen benachbar­ ten Linien beim Ausdruck wird ein plastisches Bild erzeugt, wel­ ches eine vorhandene Zeilenstruktur der Topographie erkennen läßt.

Bei stärkerer Drallausprägung lassen sich bereits an dem Primär­ ausdruck bzw. an der damit veranschaulichten Primär-Topographie die wichtigsten Kenngrößen der Drallstruktur ermitteln. In der Regel wird man aber aus der durch die Vielzahl von Meßpunkten repräsentierten Primär-Topographie eine flächenhafte Autokorre­ lationsfunktion ermitteln. Auf diese Weise werden stochastische Anteile aus der Primär-Topograpie eliminiert und es wird eine im wesentlichen lediglich noch periodische Anteile enthaltende Se­ kundär-Topographie der Oberfläche gebildet, die dann in Schrägansicht plastisch dargestellt werden kann. Die Gegenüber­ stellung der beiden Fig. 8 und 9 zeigt den Unterschied recht deutlich. Während die Primär-Topographie der Rauheit eines be­ stimmten Wellenzapfens nach Fig. 8 aufgrund eines hohen stocha­ stischen Rauheitsanteiles eine Zeilenstruktur nicht erkennen läßt, ist diese bei der in Fig. 9 dargestellten Autokorrelati­ onsfunktion desselben Werkstückes durchaus erkennbar. Insbeson­ dere bei sehr schwacher Ausprägung der Drallstruktur und/oder bei solchen mit hohem stochastischen Rauheitsanteil kann die Drallstruktur der Oberfläche nur in einer Autokorrelationsfunk­ tion der Primär-Topographie erkannt werden.

Aus der Primär- oder aus der Sekundär-Topographie können die Kenndaten der Drallstruktur ermittelt werden, die in Fig. 5 ge­ zeigt sind. Die Auswertung erfolgt durch Ausmessen bestimmter Größen aus der maßstäblichen Darstellung unter Berücksichtigung des jeweiligen Darstellungsmaßstabes. Bei geeigneter Auswerte- Software können diese Daten, wie auch die weiter unten erwähnten Kenndaten, selbsttätig errechnet und ausgegeben werden. Aufgrund der mit der Erfindung gewonnenen Erkenntnisse konnten folgende Kenngrößen einer Drallstruktur festgelegt werden:

• - Die Periodenlänge p ist der in Axialrichtung gemessene Abstand benachbarter Wellenberge.
• - Die Gangzahl wird aus der Anzahl der Wellenberge entlang der Umfangsrichtung über den vollständigen Wellenumfang durch Ab­ zählen ermittelt. Wird bei erhöhter Gangzahl - hier muß eine erhöhte Aufzeichnungsdichte in Umfangsrichtung angewandt werden - nur 1/10 eines Vollumfanges, also nur 36° ausgewertet, so kann die Gangzahl durch Multiplikation der abzählbaren Gänge mit dem Faktor zehn leicht ermittelt werden. Es wurden Gangzah­ len bis weit über 100 an realen Werkstücken beobachtet.
• - Die Drallsteigung h ist gleich einem der Gangzahl entsprechen­ den Vielfachen der Periodenlänge. Sie kann ebenfalls unmittel­ bar aus der Darstellung durch Ausmessen und Umrechnen mit dem Darstellungsmaßstab ermittelt werden. Beobachtungen an vielen Drallstrukturen und deren Auswertung zeigen, daß zumindest in der Autokorrelationsfunktion die einzelnen Gänge der Drall­ strukturen untereinander weitgehend gleiche Periodenlänge und annähernd gleiche Profiltiefe aufweisen.
• - Der Drallwinkel α (es handelt sich in der Regel um kleine Win­ kel weit unter 5°, meist im Minutenbereich) ergibt sich - im Bogenmaß - aus dem Verhältnis von Umfangslänge zu Steigungshöhe h des Dralles. Zumindest kann aus diesem Verhältniswert durch trigonometrische Umrechnung der Drallwinkel auch in Winkelgra­ den angegeben werden.
• - Die Profil- oder Dralltiefe t zwischen zwei benachbarten Wel­ lenbergen.
• - Der offene, in einem axial verlaufenden Schnitt gesehene För­ derquerschnitt f zwischen zwei benachbarten Wellenbergen wird ausplanimetriert oder kann bei Annahme einer Sinusform der Wel­ lenbergflanken rechnerisch aus der Profiltiefe und dem Abstand der Wellenberge ermittelt werden. Auch Rundformen oder Spitz­ formen der Wellenberge können durch eine entsprechend erweiter­ te Auswerte-Software bei der Flächenermittlung berücksichtigt werden.

Claims (12)

1. Verfahren zur Ermittlung einer Drallstruktur in der Oberflä­ chenrauheit eines feinbearbeiteten voll- oder hohlzylindrischen Bauteils, stellvertretend für beides nachfolgend als Wellenzap­ fen bezeichnet, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem interessierenden Umfangsstreifen (19) des Wellen­ zapfens (13) mehrere axial ausgerichtete Tastschnitte (20) mit hoher axialer Meßpunktdichte an unterschiedlicher aber jeweils exakt bekannter Umfangsposition sowie mit jeweils exakt bekann­ ter Axiallage durchgeführt werden und daß die einzelnen lokalen Rauheitsprofile (21) der verschiedenen Tastschnitte (20) gemäß ihrer axialen und umfangsmäßigen Relativlage auf dem Wellenzap­ fen (13) lageentsprechend in dichter Folge nebeneinander ausge­ druckt werden, wobei die Meßaufschriebe (21) in Radial- und in Axialrichtung (22) überhöht bzw. gedehnt und in Umfangsrichtung gestaucht wiedergegeben werden und so eine bezüglich der einzel­ nen Dimensionen unterschiedlich affin verfälschte, aber die Mi­ krostruktur der Oberfläche des Umfangsstreifens (19) als Abwick­ lung in Schrägansicht plastisch veranschaulichende Topographie dargestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus der durch die Vielzahl von Meßpunkten repräsentierten Primär-Topographie eine flächenhafte Autokorrelationsfunktion ermittelt und so stochastische Anteile aus der Primär-Topographie eliminiert und eine im wesentlichen lediglich noch periodische Anteile enthaltende Sekundär-Topographie der Oberfläche ermit­ telt und diese als Abwicklung in Schrägansicht plastisch darge­ stellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus der ermittelten Topographie der Oberfläche wenigstens eine der folgenden Kenndaten einer Drallstruktur ermittelt wird: Drallwinkel (α), Drallsteigung (h), Periodenlänge (p), Gangzahl, Profil- oder Dralltiefe (t) oder der offene, in einem axial ver­ laufenden Schnitt gesehene Förderquerschnitt (f) der periodi­ schen Anteile zwischen zwei benachbarten Wellenbergen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drallstruktur auf dem Wellenzapfen (13) im Bereich eines solchen Umfangsstreifens (19) ermittelt wird, an der eine ge­ schlossene Dichtlippe einer Ringdichtung am Wellenzapfen (13) anliegt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drallstruktur auf einem mindestens viermal so breiten, vorzugsweise etwa zehnfach breiten Umfangsstreifen (19) des Wel­ lenzapfens (13) ermittelt wird, als der Anlagebreite der Dicht­ lippe auf dem Wellenzapfen (13) entspricht.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte der Meßpunkte beim Tastschnitt 100 bis 1000 Meß­ punkte je Millimeter, vorzugsweise 200 bis 400 Meßpunkte je Mil­ limeter beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Tastschnitte in Umfangsrichtung in einem solchen Abstand an­ gebracht werden, der dem 0,5- bis 2-fachen der Periodenlänge der periodischen Anteile der Drallstruktur entspricht.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über den gesamten Umfang hinweg gleichmäßig verteilt 30 bis 120, vorzugsweise 60 bis 75 Tastschnitte (20) durchgeführt wer­ den.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei höhergängiger Drallstruktur lediglich über einen - vor­ zugsweise dezimalen - Bruchteil des Gesamtumfanges gleichmäßig verteilt 30 bis 120, vorzugsweise 60 bis 75 Tastschnitte (20) durchgeführt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßaufschriebe (21) in Radialrichtung, d. h. in Richtung der Oberflächenrauheit um das 400- bis 2000-fache, vorzugsweise um das 500- bis 1000-fache überhöht ausgedruckt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßaufschriebe (21) in Axialrichtung (22) um das 50- bis 200-fache gedehnt ausgedruckt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßaufschriebe (21) in Umfangsrichtung (23) auf ein Fünftel bis zur Hälfte gestaucht ausgedruckt werden.