DE2327015B1 - Elektronische Meßeinrichtung zur Beurteilung des Geräuschverhaltens von Zahnradgetrieben und zur Lokalisierung von Beschädigungen einzelner Zähne - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Meßeinrichtung zur Beurteilung des Geräuschverhaltens von Zahnradgetrieben, die zugleich eine Lokalisierung von Beschädigungen an einzelnen Zähnen der miteinander im Eingriff laufenden Räder ermöglicht.

Es ist bekannt, Zahnradpaare zur Geräuschprüfung auf den Spindeln einer Laufprüfmaschine aufzunehmen und sie bei veränderlicher Drehzahl, Drehrichtung und Belastung miteinander laufen zu lassen. In der Praxis wird dabei das entstehende Laufgeräusch der Räder bis heute zumeist subjektiv von dafür geschulten Prüfern nach dem Gehör beurteilt. Die bekannten Nachteile dieses Verfahrens haben zur Anwendung von teils aus der Akustik bekannten, teils für diesen speziellen Zweck entwickelten und den Laufprüfmaschinen unmittelbar zugeordneten Geräuschmeßeinrichtungen geführt, die entweder auf der Messung des durch ein Mikrophon aufgenommenen Luftschalles oder der Messung des unmittelbar durch einen in der Nähe der zu prüfenden Räder, zum Beispiel an einem Lager der sie tragenden Spindeln angebrachten, geeigneten Aufnehmer für Körperschall beruhen. Hierbei ist auch die Einschaltung von Filtern, die nur den im Laufgeräusch besonders unangenehmen Frequenzbereich durchlassen, üblich, beziehungsweise von Aufnehmern, die von vornherein so gestaltet sind, daß sie z. B. die Zahneingriffsfrequenz und eine oder mehrere ihrer Harmonischen erfassen, wobei dann die Maschine mit einer von der Zähnezahl der zu prüfenden Räder abhängigen Drehzahl laufen muß, damit deren Zahneingriffsfrequenz mit der Resonanzfrequenz des Aufnehmers übereinstimmt. Es ist weiterhin bekannt, die Spektren der in einer der vorstehenden Arten erfaßten Geräusche durch Anzeige auf dem Bildschirm eines Oszillographen sichtbar zu machen oder durch entsprechende Einrichtungen zu analysieren.

Diesen Verfahren haften zum Teil erhebliche Nachteile für den Einsatz in der Praxis an, weshalb sie bis heute nicht zufriedenstellend beurteilt werden und sich nicht generell durchsetzen konnten. So besteht bei der Messung des Luftschalles die Gefahr der Verschmutzung oder Beschädigung des empfindlichen Mikrophons, und auch Umweltgeräusche werden in die Messung mit einbezogen. Bei der Aufnahme des Körperschalls sind die aufgenommenen Signale in starkem Maße abhängig von der Bauform der Maschine, dem Anbringungsort der Körperschallaufnehmer, den Einbaubedingungen der Räder und dem Zustand der Spindellagerungen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Meßeinrichtung zu schaffen, die eine von diesen Fremdeinflüssen weitgehend freie, nur von den Eigenschäften der zu prüfenden Räder abhängige Beurteilung des Laufgeräusches und der Laufeigenschaften eines Räderpaares ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß nicht unmittelbar das Geräusch, sondern die von den Verzahnungsfehlern der beiden Räder herrührenden Drehbeschleunigungen der sie tragenden Wellen gemessen werden durch Anordnung je eines Drehbeschleunigungsgebers auf der Lagerwelle des treibenden und des getriebenen Rades eines zu prüfenden Zahnradpaares, deren Signale auf Differenz geschaltet und über einen Verstärker mindestens einem Anzeigegerät zur optischen Anzeige des Signals oder einer anderen Einricntung zur Kenntlichmachung oder Markierung schadhafter Zähne zugeleitet werden.

Da bekanntlich, wie durch wissenschaftliche Forschungsarbeiten nachgewiesen, zwischen der Drehbeschleunigung und der Geräuschbildung ein für die praktische Geräuschbeurteilung völlig ausreichender funktioneller Zusammenhang besteht, wird in den in dieser Weise gemessenen, von Fremdeinflüssen freien Drehbeschleunigungswerten ein sicherer Maßstab für die Beurteilung des Laufgeräusches der Räder gewonnen. Bei sehr gleichmäßigem Antrieb, wenn zum Beispiel auf der Antriebskette große träge Massen vorhanden sind, kann unter Umständen auf den antriebsseitigen Geber verzichtet werden.

Es ist vorteilhaft, anstatt für die Aufnahme der Drehbeschleunigungen nur einen piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmer zu verwenden, in dem Drehbeschleunigungsgeber zwei an gleichen Radien diametral gegenüberliegende und in ihrer Empfindlichkeit gleiche Beschleunigungsaufnehmer zu ver-

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wenden und die Summe ihrer Signale zu bilden, wel- Frequenzen unterdrückt werden. Gegebenenfalls

ehe über Schleifringe abgenommen werden kann. Da- kann noch mittels des Schalters 19 ein Bandpaßfil-

bei sind die beiden Aufnehmer in Umfangsrichtung terlS für die Ritzeldrehfrequenz zugeschaltet wer-

derart angeordnet, daß sie jeweils bei einer Drehrich- den, wenn später im eingebauten Zustand dieser

tang gleichgepolte Spannungen abgeben. Diese An- 5 Frequenzbereich des Getriebes von Bedeutung ist.

Ordnung hat den Zweck, daß nur reine Drehbeschleu- Das Differenzsignal wird dann über ein Anzeige-

nigungen erfaßt werden und translatorische Schwin- instrument 20, z. B. ein Milliamperemeter, das einen

gungen, auch »Körperschall« genannt, eliminiert Kennwert für den Gesamtgeräuschpegel anzeigt, zwei

werden. Es hat sich gezeigt, daß dadurch die Meß- handelsüblichen Oszilloskopen 21, 22 zugeleitet,

werte unabhängig von der Maschine, den Einspann- io Diese werden nach den durch die Kontakte 11 gege-

bedingungen, dem Lagerzustand, von außen korn- benen Impulsen nach der Umlauffrequenz der Welle

menden Erschütterungen usw. ein zuverlässiges Maß mit dem Prüfling getriggert. Auf dem Bildschirm der

für die Geräuschentwicklung darstellen. Oszilloskope werden dann, wenn die Räder umlau-

Die durch die Beschleunigungsmessung gewönne- fen, die stehenden je einem vollen Umlauf der Räder

nen elektrischen Signale lassen sich außer zur Beur- 15 entsprechenden Schwingungsbilder des Beschleuni-

teilung des Laufverhaltens auch in unterschiedlicher gungsverlaufes angezeigt. Werden zusätzlich noch in

Weise zum Auffinden beziehungsweise Markieren bekannter Weise den Zähnezahlen der Räder entspre-

von beschädigten Zähnen an den beiden Rädern aus- chende Skalen mit dargestellt, dann ist es einfach,

werten, wie dies in der nachstehenden Beschreibung aus dem Schwingungspegel herausragende einzelne

an Hand der Zeichnung im einzelnen dargestellt wird. 20 Spitzen, die z. B. von Beschädigungen einzelner

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung wer- Zähne herrühren, diesen zuzuordnen. An Stelle der

den nachstehend an Hand der Zeichnung näher be- beispielsweise dargestellten beiden Einkanal-Oszil-

schrieben. In der Zeichnung bedeutet: loskope kann natürlich auch ein handelsübliches

Fig. 1 ein Schema einer Meßeinrichtung nach der Zweikanal-Oszilloskop mit getrennter Triggerung

Erfindung, 25 beider Kanäle verwendet werden.

F i g. 2 eine schematische Darstellung ernes Dreh- Wenn es sich allein um die Lokalisierung beschä-

beschleunigungsgebers nach der Erfindung in Rieh- digter Zähne handelt, kann auf die Verwendung

tung der Drehachse gesehen, zweier Oszilloskope verzichtet werden, da sich infolge

Fig. 3 einen teilweisen Schnitt des Drehbeschleu- der Empfindlichkeit der Drehbeschleunigungsgeber

nigungsgebers längs der lAxä&A-A von Fig. 2, 30 die von einzelnen beschädigten Zähnen verursachten

F i g. 4 a, b diagrammäßige Darstellung der Erfas- Beschleunigungsspitzen in den Schwingungsbildern

sung von Spitzenwerten unter Verwendung eines beider Räder deutlich genug hervorheben. Die BiI-

Schmitt-Triggers, dung des Differenzsignals aus den Signalen der bei-

F i g. 5 Blockschaltbild einer Meßanordnung zur den Drehbeschleunigungsgeber hat den Zweck, die Winkelwertspeicherung periodisch (mit Drehfre- 35 von einem ungleichmäßig laufenden Antrieb herrühquenz) auftretender Spitzenimpulse. renden, in beiden Signalen enthaltenen Drehbein Fig. 1 sind mit 1 und 2 die beiden zu prüfen- schleunigungsanteile zu eliminieren in der gleichen den Zahnräder bezeichnet, von denen das eine ein Weise, wie z. B. bei seismischen Drehfehler-Meß-Lehrzahnrad sein kann, während es im Regelfall zwei einrichtungen die von einem ungleichmäßigen Anspäter im eingebauten Zustand miteinander laufende 4° trieb herrührenden Drehfehleranteile in den Dreh-Zahnräder sein werden. Die Räder sind auf Wellen wegen der beiden Räder bzw. Getriebewellen elimi-3, 4 aufgenommen, deren Lagerungen nicht darge- niert werden.

stellt sind. Die Wellen 3, 4 können z. B. die Spindeln Die Bauart der verwendeten Drehbeschleunigungs-

einer handelsüblichen Stirnrad-Laufprüfmaschine geber ist aus der schematischen Darstellung, F i g. 2

sein. Sie verlaufen bei der Prüfung von Kegel- oder 45 und 3, zu ersehen. In einem topfförmigen Gehäuse 23

Schneckengetrieben natürlich unter dem entspre- sind diametral gegenüber zwei in tangentialer Rich-

chenden Achsenwinkel und Achsabstand. Die Welle 3 tung wirkende handelsübliche Beschleunigungsauf-

wird von einem in der Drehrichtung umschaltbaren nehmer 24, 25 untergebracht, deren Signale einem

Motor 5 über einen möglichst schwingungsarmen ebenfalls im Gehäuse untergebrachten Summier- und

Zwischentrieb, zum Beispiel einen Flachriemen 6, 50 Vorverstärker 26 zugeleitet und von diesem nicht im

angetrieben. Die Welle 4 kann zur Erzeugung eines Detail dargestellten, im Schleifringkopf 27 enthalte-

die Zahnanlage sichernden Belastungsmomentes nen Schleifringen zugeführt werden, von denen sie in

durch eine einstellbare Bremse 7 abgebremst werden. bekannter Weise mit Schleifkontakten zur weiteren

Auf den Wellen 3 und 4 sitzen Drehbeschleunigungs- Verarbeitung entsprechend dem Schaltbild der Fig. 1

geber 8 und 9 von weiter unten zu beschreibender 55 abgenommen werden. Auf dem Schleifringkopf ist

Bauart; an ihren Gehäusen sind Umdrehungskon- der bereits erwähnte Umdrehungskontakt 11 ange-

takte 11 angeordnet, von denen mit der Drehfre- ordnet. Die dargestellte diametrale Anordnung der

quenz der Wellen der Räder auftretende Impulse ab- Beschleunigungsaufnehmer hat den Vorteil, daß nur

genommen werden. Die den Drehbeschleunigungen die von Drehbeschleunigungen herrührenden Impulse

proportionalen Spannungen werden über Schleifring- 60 beider Aufnehmer sich summieren, während die von

kontakte 12 von den Gebern abgenommen. Auf den transversalen Schwingungen hervorgerufenen Impulse

Wellen 3, 4 sind weiterhin noch Skalentrommeln sich wegen entgegengesetzter Polarität aufheben,

oder -scheiben 13 mit Richtungspfeilen angeordnet. Anstatt der oben beschriebenen Anordnung zur

Die von den Gebern abgenommenen Spannungs- Lokalisierung beschädigter Zähne kann eine der drei

signale werden über einen Differenzbilder 14 einem 65 nachstehend beschriebenen Anordnungen treten:

Verstärker 15 zugeleitet und passieren dann einen a) Das Differenzsignal oder das Signal eines der

Hochpaßfilter 16 und einen Tiefpaßfilter 17, von de- beiden Drehbeschleunigungsgeber wird auf einen

nen die für die Geräuschbeurteilung nicht wichtigen handelsüblichen Schmitt-Trigger gegeben, des-

sen Ansprechschwelle so lange automatisch absinkt, bis ein sich öfter wiederholender, in der Regel durch einen beschädigten Zahn verursachter Spitzenwert der Spannung den Schwellwert erreicht bzw. überschreitet F i g. 4 a. Dieser mit der Drehfrequenz eines der beiden Räder auftretende Impuls wird verstärkt und bringt bei jeder Umdrehung des betreffenden Rades eine Stroboskoplampe zum Aufleuchten. Das Rad scheint dann in einer bestimmten Stellung, die man sich an Hand der Skalentrommel 13 leicht merken kann, stillzustehen. Dreht man nach dem Ausschalten der Maschine das Rad wieder in diese Stellung, dann steht der beschädigte Zahn gerade im Eingriff. Läßt man den Schwellwert weiter absinken, dann können in dieser Weise weitere Stellen mit hohen Beschleunigungsspitzen, d. h. fehlerhaftem Zahneingriff gefunden werdenFig. 4b.

b) Statt den in der unter a) beschriebenen Weise erfaßten Spitzenimpuls eine Stroboskoplampe zünden zu lassen, kann man ihn auch nach ausreichender Stromverstärkung Biegefedern zuleiten, die mit einem Ende an einer geeigneten Stelle des Radkörpers in der Nähe der Verzahnung schleifen. Sie erzeugen dann durch Funkenbildung an den mit dem oder den beschädigten Zähnen auf dem gleichen Radius liegenden Stellen des Radkörpers Markierungen.

c) Eine dritte Möglichkeit besteht darin, den gesuchten beschädigten Zahn durch eine sögenannte Winkelspeicherung zu ermitteln. Hierbei wird die Winkelstellung eines aus dem Normpegel herausragenden Ausreißers, welcher mehrmais an der gleichen Stelle auftritt, gespeichert. Nach Abschalten der Maschine wird diese von Hand so lange durchgedreht, bis die gespeicherte Winkelstellung bei Ritzel oder Rad erreicht ist. In diesem Moment kann ein Signal gegeben werden (z.B. Aufleuchten einer Lampe). Der beschädigte Zahn befindet sich dann gerade im Eingriff oder an einer anderen zuvor einmalig durch Eichung gekennzeichneten Stelle (z. B. oben).

Die elektronische Schaltung ist in einer bevorzugten Ausführungsform folgendermaßen aufgebaut (Fig.5):

Auf beiden die Zahnräder tragenden Wellen sind außer den im Schaltbild als Meßwertaufnehmer a bezeichneten Drehbeschleunigungsgebern noch Drehwinkelgeber b angeordnet, welche pro Umdrehung eine bestimmte Anzahl Impulse (vorzugsweise 16) liefern, die nachträglich in einem Winkelkodierer c elektronisch kodiert werden. Hierfür können marktübliche Geber verwendet werden, welche in bekannter Weise optisch-elektronisch oder magnetisch arbeiten. Die von den Meßwertaufnehmern kommenden Signale werden über einen Spitzenwertgleichrichter d und einen Analog-Digitalwandler e einem Meßwertvergleicher / zugeleitet. In diesem werden sie mit einem in bezug auf Anfangswert und automatische Absinkrate programmierten Schnellwert g verglichen. Die den Schwellwert übersteigenden Spitzenimpulse werden von einem vor- und rückwärtszählenden Koinzidenzzähler h unter Zuordnung zu dem Winkelbereich, in dem sie auftreten, gezählt. Zu diesem Zweck wird der dem Impuls zugeordnete Winkelbereich in einem Winkelspeicher ζ gespeichert und in einem Winkelvergleicher k mit dem Wert im Winkelkodierer c verglichen. Nur die bei den aufeinanderfolgenden Umdrehungen im gleichen Winkelbereich auftretenden Spitzenimpulse werden im Koinzidenzzähler gezählt. Dieser zählt rückwärts, wenn bei einer Umdrehung der Impuls in diesem Bereich ausbleibt. Damit wird erreicht, daß nur periodisch wiederkehrende, von Beschädigungen herrührende Impulse erfaßt werden. Hat der Zähler eine vorgegebene Zahl von Spitzenimpulsen gezählt, dann wird z. B. durch Aufleuchten einer Lampe / ein Signal gegeben, weiches das Ende des Meßvorganges anzeigt. Es wird dann z. B. durch Aufleuchten des zugeordneten Lämpchens an einem Kreis mit 16 Lämpchen der Winkelbereich des Rades gekennzeichnet, in dem der beschädigte Zahn enthalten ist, oder es wird nach Abschalten der Maschine und Durchdrehen von Hand in dem Moment ein Signal gegeben, wenn Koinzidenz zwischen momentaner und gespeicherter Winkelstellung vorhanden ist (ή). Damit in beiden Drehrichtungen und bei Überfahren der gesuchten Stelle auch wieder zurückgedreht werden kann, sind die inkrementalen Drehwinkelgeber in bekannter Weise mit Richtungserkennung ausgeführt, indem zwei gleiche Impulsfolgen versetzt angeordnet sind. Es spielt keine Rolle, in welcher Winkelstellung die Zählung der Winkelschritte begonnen wird, da die Null für das spätere Aufsuchen von Hand erhalten bleibt.

Die Schaltung muß natürlich in doppelter Ausführung je einmal für jedes der beiden Räder vorgesehen werden.

Es lassen sich die angegebenen Verfahren zur Geräuschbeurteilung und FeMersuche selbstverständlich außer an Zahnradprüfmaschinen auch an fertig montierte Getriebe einsetzen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Elektronische Meßeinrichtung zur Beurteilung des Geräuschverhaltens von Zahnradgetrieben und zur Lokalisierung von Beschädigungen einzelner Zähne, gekennzeichnet durch Anordnung je eines Drehbeschleunigungsgebers auf der Lagerwelle des treibenden und des getriebenen Rades eines zu prüfenden Zahnradpaares, deren Signale auf Differenz geschaltet und über einen Verstärker mindestens einem Anzeigegerät zur optischen Anzeige des Signals oder einer anderen Einrichtung zur Kenntlichmachung oder Markierung schadhafter Zähne zugeleitet werden.

2. Drehbeschleunigungsgeber zur Verwendung in einer elektronischen Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme der Drehbeschleunigung im Gehäuse des Gebers zwei einander diametral gegenüberliegende, in Umfangsrichtung wirksame Aufnehmer angeordnet und so geschaltet sind, daß sich nur ihre von den Drehbeschleunigungen hervorgerufenen Signale addieren.

3. Anordnung zur Lokalisierung von beschädigten Zähnen an einem oder beiden miteinander laufenden Zahnrädern mittels des Differenzsignals oder auch mittels des Signals eines der Drehbeschleunigungsgeber allein, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal auf einen Schmitt-Trigger gegeben wird, dessen Ansprechschwelle von einem die maximale Signalspannung übersteigenden Anfangswert an automatisch abgesenkt wird, bis mindestens ein sich periodisch mit der Drehfrequenz wiederholender Spitzenwert des Spannungsverlaufes nach entsprechender Verstärkung

a) jeweils eine Stroboskoplampe zum Aufleuchleuchten bringt oder

b) einer in der Nähe der Verzahnung am Zahnrad schleifenden Feder zugeleitet jeweils an der Stelle des Spitzenimpulses durch Funküberschlag eine Markierung erzeugt oder

c) zur Speicherung der Winkelstellung des aus dem Normalpegel herausragenden Spitzenwertes verwendet wird.