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Verfahren zur Formprüfung von Rillenkugellager-Ringen und Vorrichtung
zur Ausübung dieses Verfahrens Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zur Formprüfung der Laufbahnen von Rillenkugellager-Ringen, das es ermöglicht, den
die= Geräuschqualität des Lagers bestimmenden Einfluß der Formgenauigkeit der Kugellager-Laufbahn
sowohl in Umfangsrichtung des Ringes, als auch im Rillenquerschnitt gleichzeitig
in einem Arbeitsgang zu messen. Außerdem hat die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung
zur Ausführung des Verfahrens zwn Gegenstand, die sowohl für Stichprobenmessungen
an einzelnen Kugellager-Ringen, als auch zur serienmäßigen Kontrolle verwendet werden
kann.
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Neben den in den internationalen Normen festgelegten toleranzen für
die laß-, Form- und Laufgenauigkeit von wälzlagern hat in zunehmendem Maß die Schwingungs-
und Geräuscharmut als weiteres Qualitätskriterium an Bedeutung gewonnen. Damit entstand
auch die Notwendigkeit, die geräuschbestimmenden Faktoren bereits während der Fertigung
der Zinzelteile meßtechnisch zu erfassen um eine wirkungsvolle Qualitätssteuerung
durchihren zu können Eine der Hauptgeräuschursachen ist bekanntlich in den Abweichungen
der Laufbahnen von der idealen Kreisform zu suchen Bei Rillen kugellager-hingen
muß aie ideale Kreisform sowohl in Umfangsrichtung, d.h. in einer Ebene senkrecht
zur Ring-Rotationsachse9 als auch in Rillenquerschnitt, d.h. in einer Ebene, in
der die Ring-Rotationsachse liegt, angestrebt werten
Zur prüfung
der Formabweichung in Umfangsrichtung finden hauptsächlich folgende drei Verfahren
Anwenaung: Im einfachsten Fall erfolgt die Prüfung mit Hilfe einer Meßuhr als Zweipunktmessllng,
wie in Bild 1 im Prinzip dargestellt, oder als Dreipunktmessung, wie in Bild 2 dargestellt.
Die Laufbahn des zu messenden Ringes wird mit Hilfe einer Meßuhr gegen einen beziehungsweise
gegen zwei feste Anschläge geprüft, indem der Ring langsam um seine Rotationsachse
gedreht wird, so daß man an der Meßuhr alle Formabweichungen der Laufbahn in radialer
Richtung in einer Ebene senkrecht zur Ringachse ablesen kann. Da die geräuschverursachenden
Formabweichungen jedoch meist wesentlich kleiner sind, als die mit iesem Verfahren
noch meßbaren kleinsten Formabweichungen und auch aus anderen Gründen hat dieses
Verfahren im Zusammenhang mit der Gerauschfrage in der Praxis keine Bedeutung.
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Bei der Prüfung mit dem sogenannten Runcheitsmeßgerät liegt der zu
prüfende Ring die Blid 5 im Prinzip dargestellt auf einer waagrechten Auflage und
wird in seiner Laufbahn von einem Meßfühler abgetastet, der mittels einer hochgenau
gelagerten Spindel mit niedriger Geschwindigkeit von z.¼. 3 Umdrehungen pro minute
um den Ring geführt wird. Der Meßfühler ist meist ein elektromechani scher Meßgrößenumformer,
der die infolge von Formabweichungen der Hinglaufbahn entstenenden radialen Auslenkungen
der Fühlerspitze in elektrische Signale umformt. Diese werden nach entsprechend
großer, z.B. So ooo-facher V Verstärkung an einem Instrument zur Anzeige gebracht
oder in einem mit der Spindel synchron umlaufenden Polardiagramm aufgezeichnet.
Dieses Verfahren wird sehr häufig verwendet, es hat jedoch den Nachteil, daß jeder
Ring vor der Messung so justiert werden muß, daß seine Hotationsachse genau mit
der Spindelachse zusammenfällt. Eine serienmäßige schnelle Messung ist deshalb nicht
möglich.
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Bei der Prüfung mit dem sogenannten welligkeitsmeßgerät wird der zu
messende Ring, wie in Bild 4 im Prinzip gezeigt, auf eine sehr genau gelagerte und
mit hoher Drehzahl von z.B. 900 Umdrehungen pro Minute rotierende spindel gebracht.
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Die in Umfangsrichtung meist periodisch auftretenden Formabweichungen,
die allgemein als Velligkeit gezeichnet werden, wirken auf einen feststehenden Meßfühler
und erzeugen in ihm eine elektrische Wechselspannung, deren Frequenz proportional
der Spindeldrehzahl und der Anzahl der ellen auf dem Laufbahnumfang ist. Nach entsprechender
Verstärkung Kann dieses elektrische Signal ebenfalls zu einer Aussage über die Formabweichungen
herangezogen werden. Diese methode hat den Vorteil, daß das langwierige Justieren
der Ringachse nicht erforderlich ist, da sich die infolge einer Exzentrizität des
ringes entstehende Frequenz des elektrischen Signales durch entssprechende Filterschaltungen
im Meßverstärker unterdrücken läßt. Dagegen ist es auch hier erforderlich, daß die
Laufbahnebene genau senkrecht zur Spindelachse steht. Andernfalls würde auch bei
einem ideal runden Ring die Fühlerspitze eine Kurve abtasten, die sich aus dem Schnitt
eines Kreiswulstes mit einer zu ihm geneigten Ebene ergibt.
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Wie schon erwähnt, muß neuen der soeben geschilderten Prüfung der
Formabweichungen in Umfangsrichtung auch die Größe der Formabweichungen des Rillenquerschmittes
geprüft werden. Im praktischen Betriebsfall muß man nämlich fast immer damit rechnen,
daß das in der Regel axial vorgespannte Wälzlager etwas verkantet wird, d.h.
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daß die Achse des Außenringes gegen die Achse des Innenringes geneigt
ist. dies bedeutet aber auch, daß die Laufbahn der Kugeln nicht mehr genau in einer
Ebene senkrecht zur Ringachse liegt, sondern gegen diese ebenfalls etwas geneigt
ist Der Lauf der Kugeln wird also sowohl von den Formabweichungen in Umfangsrichtung,
als auch von den Formabweichungen quer zur Umfangsrichtung beeinflußt.
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Zur Prüfung der Formabweichungen im Rillenquerschnitt finden hauptsächlich
die in Bild 5 und in Bild 6 im Prinzip gezeigten Verfahren Verwendung. Entweder
wird bei feststehendem Ring die Rollenform von einem mittels einer hochgenau gelagerten
Spindel schwenkbaren Meßfühler abgetastet oder der Ring wird mittels einer Schwenkvorrichtung
um einen feststehenden Meßführer geschwenkt.
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In beiden Fällen muß die Schwenkachse vor der Messung so justiert
werden, daß sie durch den Mittelpunkt des die Rillenquerform beschreibenden Kreises
geht. Außerdem nuß der Ring so justiert werden, da die Ebene der Abtastung senkrecht
auf der Ringoberfläche steht, andernfalls beschreibt die ließfühlerspitze auch bei
einem idealen Ring keine kreisförmige Bahn.
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Die genannten Geräte und verfahren haben also einmal den Nachteil,
daß langwierige und sorgfaltige Justagemßnahmen erforderlich sind, um die beiden
Größen Umfangsform und 'iuerform genau und ohne Nebeneinflüsse zu messen. Zum anderen
wird durch diese beiden getrennten Messungen einhoher zeitlicher Aufwand erforderlich,
der es oft nicht erlaubt, die Stichprobenmessungen im erwünschten oder erforderlichen
Umfang durchzuführen. Ein weiterer großer Nachteil dieser Geräte und Verfahren besteht
darin, daß die mit ihrer Hilfe unabhängig voheinander gewonnenen Meßergebnisse keine
Aussage über ihrer gemeinsamen Einfluß auf das Lauf- und Geräuschverhalten des Wälzlagers
im praktischen Einsatz geben.
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Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermelden
rd eine Möglichkeit anzugeben, die alle geräuschverursachen Formabweichungen in
einem Arbeitsgang mit geringem Zeitaufwand zu messen erlaubt.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Ringlaufbah
ewußt auf einer Ebene abgetastet wird, die nicht senkrecht zur Rotationsachse des
Ringes steht, sondern gegen diese etwas gezeigt ist. Die Größe dieser Neigung richtet
sich nach den inneren geometrischen Verhältnissen des Lagers, insbesondere nach
der sogenarnten Lagerft, da sie für die im praktischen Betrieb maximal mögliche
Verkantung des Lagers maßgebend ist.
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Für die praktische Durchführung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung gibt es verschiedene Möglichkeiten, die nachfolgend im Prinzip beschrieben
werden:
Eine Möglichkeit besteht darin, wie in Bild 7 im Prinzip
gezeigt, den zu prüfenden Ring 1 auf eine rotierende Spindel 2 aufzunehmen, wie
es auch bei den bekannten Welligkeitsmeßgeräten geschieht Im Gegensatz zur bekannten
Welligkeitsmessung wird jedoch hier die Ringachse 3 gegen die Spindelachse 2 um
einen Winkel α geneigt.
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Dies hat zur Folge, daß der feststehende Meßfühler 4 die Ringlauf
bahn 5 auf einer Spur abtastet, die sich aus der Schnittlinie eines Kreiswulstes
mit einer gegen seine Rotationsachse geneigten Ebene ergibt. In dieser Abstastspur
sind sowohl Formabweichungen in Umfangsrichtung, als auch im Pillenquerschnitt enthalten,
so wie sie in einem verkanteten Lager auf die auf dieser Spur abrollenden Kugeln
auswirken würden.
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Allerdings wird auf diess Weise über die gesamte Laufbahnoberfläche
nur eine einzige, ganz zufällig liegends Meßspur gezogen. Um auch außerhalb dieser
Meßspur liegende fehler zu erfassen, wird deshalb weiterhin erfindungsgemäß der
zu prüfende Ring 1 auf gesignete Weise zusätzlich zur Rotation um die Spindelachse
2 auch nach um seine Rotationsachse @ gedreht. Durch geeignete Wahl des Verhältnisses
zwischen der Spindeldrehzahl n2 und der Ringschsendrehzahl n3 kann man dadurch ein
dientes Netz vom nebeneinanderliegenden Meßspuren erzeugen, wie im Bild 9 im Prinzip
gezeigt.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nach dem im Bild @
gezeigten Prinzip der zu messende Ring 1 auf einen für die Meßspindeln der üblichen
Beltigskeitmeßgeräte passenden austanchbarein Aufnahmedorn gesetzt, der so beschaffer
ist, daß sich der Ring 1 um die senkrecht auf der Meßspindelachse 2 stehende und
in der Symmetrieebene 7 des Rillenquerschnittes liegende Achse 6 schwenke läßt,
wodurch der Winkel α in zweckmäßigen Grenzen einstellbar ist Weiterhin sitzt
in diesem Ausführungsbeispiel der zu messende Ring nicht direkt auf dem Aufnahmedorn,
sondern auf einer gleitgelagerten Zwischenhülse, die von einem im Aufnahmedorn sitzenden
und mit der Meßspindel 2 umlaufenden Miniatur-Servomotor mit Untersetzungsgetriebe
angetrieben wird und für die Drehung des Ringes 1 um seine Achse 3 sorgt.
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In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist z.B. die Drehzahl n2
der Me spindel n Soco geruhrer pro Minute gewählt und die Drehzahl n3 des erges
um eine Phototionsachse 3 zu 30 Umdrehungen pro Minute. Dadurch wird w end einer
Meßzeit von nur 2 Sekunden ein Netz von @ gemeinsam @i@ geben Meßspuren erzeugt,
das die gesamte inter tiere @@@@@ zone bedeckt, wie in Bild 9 im Prizip gelengt.
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Eine dere zone Durchführung der erfindungsgemäß steht darin, wie in
Bild 8 im Prizip @@ bekannten Rundheitsmeßgeraten, en @ @ genau gelagerten Spindel
8 um den zu pr Gegensatz zu der bekannten kurznetsmes Achse 3 gegen die Spindel
8 um e Wi @ t, daß der Ring 1 um die senkrecht auf @ die und in der Symmetrieebene
des es @ Achse 6 geschwenkt wird.
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@uen er wi@ @ Weise um seine Achse 3 gedren@ so daß Verhältnisses
zwischen der spindel @ Anzahl n3 ein dichtes und glmäßig de Laufbahnoberfläche verte
es es in Prinzip in Bild 9 dargestellt In en Aus @ g nach dem in Bild 8 gezeig Prin
@t @dung mit dem in bild 7 gezeigt Prinzip @ @@rn verwendet, indem er mit fe einen
@@ @te @@tang auf dem Meßtisch eines üblichen Run@@e ger efe @ig wird und somit
für die Schragstellung de Ringes um den Winkelα sowie für die Drehung des
Ringes 1 um solche Achse 5 sorgt, während ein geeigneter Meßfühler 9 von der Meßspindel
8 des Rundheitsmeßgerätes um den Ring geführ wird.
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Bei einem idealen Ring ohne Formabweichungen entspricht das vom Meßfühler
abgegebene elektrische Signal einer Wechselspannung, deren Grundfrequenz der doppelten
Lrehfrequenz der Spindel 2 ewtspricht und deren zeitlicher Verlauf vom Laufbahnradius
R und vom Rillenradius r des Ringes, vom Krümmungsradiusder Meßfühlerspitze und
vom Neigungswinkel α abhängt. Im Bild 10 ist der Verlauf dieses Signales über
der Zeit b im Prinzip aufgezeichnet.
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Bei einem nichtidealen Ring sind diesem Grundsignal zusätzliche Komponeneten
mit höheren Frequenzen überlagert. So erzeugt z.B. die beim Honen der Ringlauf bahnen
entstehende und in Bild 11 der Deutlichkeit halber stark übertrieben dargestellte
Formabweichung der Rillenquerform, die häufig auch als sogenannte W-Form bezeichnet
wird, eine Signalkomponente, deren Frequenz doppelt so hoch ist, wie die Frequenz
des Grundsignales, d.h. vermal so hoch wie die Drehfrequenz der Spindel 2, bzw.
der spindel b.
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Ein Ring, der auf seiner Laufbahn in Umfangsrichtung z.B. i f Wellen
hat, wie in Bild 12 anhand eines Rundheits-Diagrammes mit hoher Vergrößerung dargestellt,
erzeugt im Meßfühler eine Signalkomponente, deren Fre;1uenz fünfmal so hoch ist,
wie die Drehfrequenz der Spindel 2, bzw. der Spiiidel d.
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Alle infolge von Formabweichungen der Laufbahn entstehenden zusätzlichen
Signalkomponenten höherer Frequenzen sind dem bei einem idealen Ring entstehenden
Grundsignal überlagert. Da aber die Amplitude des Grundsignales in der Regel um
mehrere Größenordnungen höher ist, als die Amplituden der infolge von Formabweichungen
entsehenden zusätzlichen Komponenten, ist eine direkte Auswertung des Gesamtsignales
schwierig. Zweckmäßigerweise wird deshalb das bei einem idealen Ring entstehende
Grundsignal durch Filterung oder durch Differenzbildung mit Hilfe einer Rechnerschaltung
unterdrückt, so daß lediglich die überlagerten Komponenten höherer frequenz zur
Anzeige kommen. Ihre Amplituden sind direkt ein Maß für die Größe der geräusscherzeugenden
Formabweichungen und aus ihren Frequenzen kann auf die Art der Formabweichungen
geschlossen werden.
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Nach entsprechender Unterdrükung des Grundsignales ergibt sich bei
der Prüfung es in Bild 11 gezeigten Ringes mit einer sog.
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W-Form ein Signalverlauf, wie er im irinzip in Bild 13 dargestellt
ist. Bei der Prüfung des in Bild 12 gezeigten Ringes mit 5 ellen auf de Umfang erhält
man dagegen den in Bild 14 im Prinzip gezeigten Sibnalverlauf Diese gezeigten Signale
können entweder mit Hilfe eines Oszillographen visuell beobatchtet und zur Beurteilung
der Ringqualität herangezogen werden oder auch mit Hilfe von geeigneten Meßverstärkern
ausgewertet werden. Durch entaprechende Filterschaltungen können bei Ringen , die
sowohl Formabweichungen in Umfangsrichtung, als auch im Rillerquerschnitt haben,
die einzelnen Komponenten getrennt ausgewertet werden.
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Die beschriebene erfindung erlaubt es also, bei entsprechender Wahl
des Winkels α und des Drehzahlenverhältnisses den gesamten interessierenden
Rillerbereich, in dem die Kugeln im praktischen Einsatz bei versantetem Lager abrollen
können, mit einem beliebig engen Netz von Meßspuren zu uberziehen und damit alle
geräuscherzeugenden Unregelmäßigkeiten zu erfassen, wogegen die bekannten Verfahren
geweils nur eine einzige Meßspur entweder in der Umfangsrichtung oder IM Rillenquerschnitt
erzeugen und damit die Entudeckung einer Umregelmäßigkeit der Laufbahnform dem Zufall
überlasser bleist iollte man mit den bekannten Verfahren die laufbahn Rickenlos
prüfen, so müßte man unter großem Zeitaufwand sehr viele verspuren Racheinander
erzeugen; bei Anwendung der beschrieben Erfindung ist dagegen der Zeitaufwand so
gering, daß sicn das Verfahren nicht nur zur stichprobenartigen Prüfung einzelner
inge, sondern aucn zur serienmäßigen automatischen Prüfung imZuge einer Fließstraßenfertigumngeignet
und damit auch einem wesentlichen Beitrag zur Qualitätssicherung leistet.
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Die vorsteiend on Beispielen zur Prüfung von Rillenkugellager-Imienringen
beschriebene Erfindung läßt sich selbstverständlich bei Verwendung entsprechender
Aufnahmeteile in der gleichen Weise auch zur Prüfung von Rillenkugellager-Außenringen
anwenden.