DE3604653C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung zur Simulation des Verhaltens von sich unter Normalkraftbelastung bewegenden Kontakten in Maschinenelementen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Vorrichtungen werden zum Beispiel benötigt, um die Eingriffsverhältnisse von miteinander kämmenden Zahnrädern zu simulieren.

Die Untersuchung der Beanspruchbarkeit von miteinander kämmenden Zahnrädern wirft schon seit langer Zeit Probleme auf. Diese Probleme treten besonders dann in Erscheinung, wenn die Zahnräder, wie in der Technik überwiegend üblich, geschmiert werden. Während des Zahneingriffs ändern sich die Tangentialgeschwindigkeiten der miteinander kämmenden Flankenoberflächen, die Krümmungsradien und, im Übergang vom Doppel- zum Einzeleingriffsgebiet, auch die Normalkraft. Dazu kommt, daß die Zahnflanken aufgrund ihrer kontraformen Gestalt während der Belastung elastisch deformiert werden und das Schmiermittel durch die im Eingriff entstehende Reibungswärme aufgeheizt wird, so daß eine theoretische Durchdringung des Problems nur angenähert und mit hohem Programmier- und Rechenaufwand auf Großrechenanlagen möglich ist.

Der experimentellen Untersuchung des Zahneingriffs kommt deshalb auch heute noch eine wichtige Bedeutung zu. Aufgrund der komplizierten Eingriffsgeometrie und Kinematik der Verzahnung wurde versucht, den Zahneingriff in einem sog. Zwei-Scheiben-Prüfstand zu simulieren. Derartige Zwei- Scheiben-Prüfstände haben jedoch den Nachteil, daß die Veränderung der Geschwindigkeit für den Eingriff nicht nachvollzogen werden kann. Man kann nur einzelne Betriebspunkte auf der Eingriffstrecke unter stationären Bedingungen simulieren, die sich insbesondere aufgrund der Änderung der Tangentialgeschwindigkeit ergebenden instationären Eingriffsverhältnisse können nicht simuliert werden. Auch die häufig verwendeten Vier-Scheiben-Prüfstände können ebenfalls nur für stationäre Betriebsbedingungen eingesetzt werden. Ihr Vorteil gegenüber den Zwei-Scheiben-Prüfständen besteht vor allem darin, daß aufgrund des symmetrischen Lastangriffes an der zentralen Scheibe diese fliegend gelagert werden kann, was meßtechnisch günstiger ist.

Besondere Schwierigkeiten bereitet die experimentelle Untersuchung von geschmierten Verzahnungen. Die am häufigsten auftretenden Verschleißschäden von geschmierten Verzahnungen sind Freßverschleiß und Pitting-Bildung. Dabei tritt Freßverschleiß bevorzugt an den Zahnköpfen auf, während sich Pittings oft in der Nähe des Wälzpunktes bilden. Freßverschleiß entsteht also in dem Bereich, in dem die Gleitgeschwindigkeit, d. h. also der Unterschied der Tangentialgeschwindigkeiten der beiden Flanken hoch ist, während Pittings in dem Bereich auftreten, in dem die Gleitgeschwindigkeit gering oder Null ist.

Theoretische Arbeiten haben, bestätigt durch Versuche an Scheiben-Prüfständen, ergeben, daß der Verschleiß wesentlich durch die Dicke des sich zwischen den Kontaktkörpern aufbauenden Schmierfilm bestimmt wird. Die bekannte Formel von DOWSON zur näherungsweisen Berechnung der Schmierfilmdicke sagt aus, daß die minimale Schmierfilmdicke im Kontakt h _min proportional zur augenblicklichen Tangentialgeschwindigkeit der Zahnflanken u₀^0,7 ist. Dabei ergibt sich u₀ als jeweiliger arithmetischer Mittelwert der Tangentialgeschwindigkeiten der beiden Flanken. Bei der Simulation kommt es deshalb besonders darauf an, die Geschwindigkeitsverhältnisse der Simulationsvorrichtung denen der Verzahnung anzupassen.

Experimentelle Untersuchungen haben des weiteren ergeben, daß sich die Ergebnisse von Scheiben-Prüfständen bezüglich des Entstehens von Freßverschleiß und Pittings nur unzureichend auf Verzahnungen übertragen lassen, was u. a. auf die Unterschiede im Geschwindigkeitsverlauf zurückgeführt wird. Die Abweichungen sind so groß, daß in den heutigen genormten Verschleißtests, wie z. B. dem FZG-Test nach DIN 51354 Verzahnungen zur Verschleißuntersuchung verwendet werden. Diese Verzahnungen müssen aber mit hoher Genauigkeit gefertigt und geschliffen werden, und sind deshalb sehr teuer. Da außerdem Serienresultate erforderlich sind, um statistisch aussagekräftige Versuchsergebnisse zu erhalten, erfordern diese Verschleißuntersuchungen einen enormen Kostenaufwand.

Mit der DE 31 40 661 ist eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zum Simulieren der Beanspruchung von aufeinander abwälzenden Zahnrädern mit rotationssymmetrischen Scheiben bekannt geworden, bei der jede Scheibe drehfest auf einem Schwinghebel gelagert ist, wobei die Drehachse des einen Schwinghebels auf der einen Seite und die Drehachse des anderen Schwinghebels auf der anderen Seite der beiden Scheiben liegt und beide Scheiben durch eine Verspannung zusammengedrückt werden. Eine kombinierte Roll/Gleitbewegung wird durch die Bewegung der Schwinghebel erreicht. Diese bekannte Vorrichtung hat sich insbesondere bei der Simulation der Eingriffsverhältnisse in langsam laufenden großen Getrieben bewährt. Zur Simulation der Eingriffsverhältnisse von kleineren, schnell laufenden Verzahnungen ist diese Vorrichtung jedoch weniger geeignet, da sich hier die trägen Massen des Gesamtsystems störend bemerkbar machen.

Mit der DE-PS 6 75 150 ist ein Verzahnungsprüfstand bekannt geworden, bei dem ein Zahnrad elastisch festgehalten wird, während das andere Zahnrad in Schwingungen versetzt wird. Die Zahnräder werden dementsprechend hin und her bewegt, wobei jeweils die gleichen Zähne in Eingriff kommen. Die Zähne werden somit einer Wechselbeanspruchung unterworfen, mit deren Hilfe insbesondere die Zahnfußfestigkeit, die vor allem bei ungehärteten Zahnrädern eine wichtige Auslegungsgröße darstellt, experimentell ermittelt werden kann.

Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Prüfvorrichtung zur Simulation des Verhaltens von sich unter Normalkraft bewegenden Kontakten in Maschinenelementen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, welche eine optimale Anpassung an die jeweiligen Geschwindigkeitsverhältnisse der zu simulierenden Kontakte erlaubt und welche auch bei höheren Geschwindigkeiten einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Lösung bietet die Möglichkeit, sowohl Roll- als auch Gleitbewegungen in einem weiten Bereich simulieren zu können. Insbesondere kann mit der Kurbel- Anordnung eine Drehbewegung der Prüfkörper mit periodisch erfolgender Drehrichtungsumkehr erzeugt werden, wobei die Tangentialgeschwindigkeiten in vorteilhafter Weise z. B. an die Geschwindigkeitsverhältnisse in Verzahnungen angepaßt werden können. Die erzielbare Übereinstimmung zwischen den Eingriffsverhältnissen in der Verzahnung und der Prüfvorrichtung ermöglichen eine wirklichkeitsnahe und aussagekräftige Simulation des Zahneingriffs.

Im Unterschied zu kontinuierlich umlaufenden Prüfscheiben, wie sie bei Zwei- und Vier-Scheiben-Prüfständen verwendet werden, kann hier der Kontakt der beiden Prüfkörper auf einen bestimmten Umfangsbereich der jeweiligen Prüfkörper begrenzt werden. Dies hat zum einen den Vorteil, daß eine einzelne Prüfscheibe für mehrere Versuche verwendet werden kann, wobei der Prüfkörper dann nur einfach um einen entsprechenden Winkel weitergedreht wird, so daß ein noch nicht verschlissener Umfangsbereich in Kontakt kommt. Zum anderen bietet sich der Vorteil, daß die für Dauerfestigkeits-Versuche erforderliche Anzahl von Überrollungen schneller erreichbar ist als bei herkömmlichen Zwei-Scheiben-Maschinen, da hier die Belastung nur auf einen kurzen Bereich beschränkt ist.

Die periodische Hin- und Herbewegung, die mit dem erfindungsgemäßen Kurbelantrieb möglich ist, hat auch meßtechnisch große Vorteile. Bei den bekannten Zwei- und Vier- Scheiben-Prüfständen ist ein großer apparativer Aufwand erforderlich, um die Meßsignale, z. B. für eine Reibungsmessung oder für eine Schmierfilmdickenmessung von der rotierenden Welle auf die Meßgeräte zu übertragen. Dazu kommt, daß derartige Drehübertrager immer einen gewissen Einfluß auf das Meßsignal haben, was sich insbesondere bei der meßtechnisch sehr komplizierten kapazitiven Schmierfilmdickenmessung störend bemerkbar macht. Die erfindungsgemäße Lösung bietet hier den Vorteil, daß keine vollständige Umdrehungen der Prüfkörper stattfinden, so daß die Prüfkörper in einfacher Weise mit Kabeln direkt mit den Meßeinrichtungen verbunden werden können. Der Einsatz von Drehübertragern zur berührenden oder berührungsfreien Übertragung von Meßsignalen ist nicht erforderlich.

Der aus den drei Kurbeln bestehende Kurbelantrieb kann durch die Abstimmung der einzelnen Kurbellängen dem jeweiligen Simulationsfall angepaßt werden. Ein Beispiel für die Auslegung des Kurbelantriebs zur Simulation eines Zahnradgetriebes wird in der speziellen Figurenbeschreibung gegeben. Besonders vorteilhaft ist, daß die Länge der langen Kurbel innerhalb der kinematischen und geometrischen Möglichkeiten der Prüfvorrichtung frei gewählt werden kann. Dies bedeutet, daß zur Anpassung der Prüfvorrichtung an unterschiedliche Simulationsfälle, d. h. also z. B. an Verzahnungen mit unterschiedlicher Verzahnungsgeometrie, lediglich die Länge der beiden kurzen Kurbeln verändert werden muß. Dies kann z. B. geschehen, indem Sätze von unterschiedlichen Kurbelpaaren verwendet werden, wobei ein Kurbelpaar jeweils aus der ersten kurzen Kurbel und der zweiten kurzen Kurbel besteht, die jeweils einer bestimmten Verzahnungsauslegung entsprechen. Gemäß einer zu bevorzugenden Ausführungsform ist es des weiteren möglich, die Position der Achsen an den Kurbeln zu verändern, so daß die Kurbellänge einstellbar ist. Dies hat den Vorteil, daß sich die Kurbeln schnell an unterschiedliche Simulationsfälle anpassen lassen.

Die Massenkräfte des Kurbeltriebs bereiten üblicherweise keine Schwierigkeiten. Gemäß einer zu bevorzugenden Ausführungsform werden jedoch Gegengewichte an den Kurbeln vorgesehen, um das Trägheitsmoment der Kurbeln so auszugleichen, daß keine freien Massenkräfte durch die Rotation der Kurbeln entstehen. Dies bietet den Vorteil, daß der Betrieb der Prüfvorrichtung auch bei hohen Drehzahlen problemlos möglich ist.

Gemäß einer zu bevorzugenden Ausführungsform weist die Prüfvorrichtung zwei Prüfkörper auf, die in Form von Prüfscheiben gestaltet werden. Diese Vorrichtung ist besonders zur Simulation von Zahnradgetrieben geeignet.

Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausführungsform weist die Prüfvorrichtung drei Prüfkörper auf, deren Achsen entweder innerhalb einer Geraden liegen oder deren Achsen die Eckpunkte eines gleichseitigen oder ungleichseitigen Dreiecks bilden. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß in einem Prüflauf zwei Kontakte untersucht werden können, wobei z. B. unterschiedliche Materialkombinationen Verwendung finden können. Es ist also möglich, bei der Anordnung der Achsen der Prüfkörper auf einer Geraden den mittleren Prüfkörper aus einem bestimmten Material und die beiden anderen Prüfkörper aus einem jeweils unterschiedlichen Material herzustellen. Auf diese Weise kann untersucht werden, welche Materialkombination früher zu Verschleiß führt.

Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausführungsform werden vier Prüfkörper verwendet, wobei ein zentraler Prüfkörper satellitenartig von drei symmetrisch zueinander angeordneten Prüfkörpern umgeben ist. Auf diese Art und Weise können mehrere unterschiedliche Kontaktbedingungen auf einmal untersucht werden. Dabei erweist es sich als besonderer Vorteil, daß nur einer der Prüfkörper über eine Anpreßvorrichtung verfügen muß, da sich die Anpreßkraft der anderen Kontakte jeweils als Reaktionskraft ergibt. Neben der Variation des Materials kann z. B. auch die Variation der Fertigung, also die Kombination unterschiedlicher Rauhheiten beim Schleifen in einem Versuch verglichen werden.

Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausführungsform ist nur ein durch die Kurbelanordnung angetriebener Prüfkörper vorgesehen, der mit einem zweiten, nicht angetriebenen Prüfkörper in Kontakt steht. Mit dieser Anordnung sind zwei unterschiedliche Versuchsbedingungen möglich. Zum einen kann der zweite, nicht angetriebene Prüfkörper so gelagert werden, daß er der Bewegung des ersten, mit dem Exzenter angetriebenen Prüfkörpers folgt. Auf diese Art und Weise kann die Belastung der Prüfkörper beim Rollen mit unterschiedlichen Rollgeschwindigkeiten untersucht werden. Eine solche Versuchsanordnung eignet sich z. B. besonders zur Untersuchung der Pittingbildung. Zum zweiten ist es möglich, den zweiten Prüfkörper festzustellen, womit z. B. der Kontakt zwischen einem drehbaren Nocken und einem Stößel mit feststehender Fläche untersucht werden kann.

Gemäß einer zu bevorzugenden Ausführungsform sind die Prüfkörper rotationssymmetrisch gestaltet. Eine weitere, zu bevorzugende Ausführungsform sieht jedoch vor, daß nicht- rotationssymmetrische Prüfkörper verwendet werden, um besondere Kontaktbedingungen zu untersuchen. Dabei muß dann entweder dafür gesorgt werden, daß die Summe der Berührabstände der jeweiligen Prüfkörper konstant bleibt, oder es muß ein Ausgleich für die Achsabstandsänderung, z. B. durch eine entsprechende Anpreß-Vorrichtung zur Verfügung gestellt werden.

Der Antrieb der ersten kurzen Kurbel erfolgt üblicherweise mit konstanter Geschwindigkeit. Gemäß einer zu bevorzugenden Ausführungsform erfolgt die Übertragung des Antriebsmomentes auf die erste Kurbel kraftschlüssig, z. B. mit einem Zugmittelgetriebe wie einem Riementrieb oder mittels eines Reibradgetriebes.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Übertragung des Antriebsmomentes auf die Drehachse der ersten Kurbel formschlüssig, mit einem Zahnradgetriebe oder mit einem Zahnriemen.

Die Übertragung der Bewegung auf einen zweiten Prüfkörper kann in einfacher Weise dadurch ausgeführt werden, daß die Antriebswelle zum Antrieb der Kurbel des ersten Prüfkörpers auch für den Antrieb des zweiten Prüfkörpers verwendet wird. In diesem Fall muß dann eine entsprechende Übertragung auf den zweiten Prüfkörper mittels einer geeigneten Vorrichtung, z. B. einer Kardanwelle vorgesehen werden.

Gemäß einer anderen zu bevorzugenden Ausführungsform wird das Antriebsmoment von einem Antriebsmotor direkt auf die jeweiligen Kurbelantriebe verteilt. Dies kann z. B. mittels Verzahnungen erfolgen, die entsprechend den Prüfscheiben angeordnet sind und die einen synchronen Lauf der Antriebsachsen der einzelnen Kurbelantriebe bewirken. Es kann jedoch auch ein Zahnriementrieb vorgesehen werden, der über die einzelnen Antriebsachsen läuft, und somit ebenfalls einen synchronen Antrieb der unterschiedlichen Kurbelanordnungen bewirkt.

Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausführungsform wird ein Prüfkörper in dem anderen angeordnet, so daß ein konformer Kontakt mit, je nach Durchmesserverhältnis, guter oder schlechter Schmiegung entsteht. Man führt dann den ersten, äußeren Prüfkörper so aus, daß er eine zylindrische Vertiefung aufweist, wobei die Zylinderinnenwand als Kontaktfläche mit dem zweiten Prüfkörper dient. Der Durchmesser des zweiten Prüfkörper ist geringer als der der zylindrischen Vertiefung, und der zweite Prüfkörper wird so angeordnet, daß er an dieser Innenfläche mit dem ersten Prüfkörper in Kontakt steht. Auf diese Art und Weise ist es z. B. möglich, die Bewegungsverhältnisse von Innenverzahnungen zu simulieren.

Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausführungsform ist die Prüfvorrichtung mit Mitteln versehen, welche eine Veränderung der Belastung während der Drehbewegungen der Prüfkörper ermöglichen. Bei der Simulation von Zahnradgetrieben kann die Belastungsänderung so ausgelegt werden, daß die Belastung im Bereich der jeweiligen Umkehrpunkte der Drehbewegung, an denen der Prüfkörper kurzzeitig stillsteht, oder während des Rücklaufs auf Null reduziert wird. Bei einer hydraulischen Belastungsvorrichtung kann dies auf einfache Weise über einen entsprechenden Druckabfall bewirkt werden, der mechanisch oder elektronisch durch einen Sensor oder periodisch gekoppelt mit der Drehbewegung vorgenommen wird. Diese Belastungsänderung hat den Vorteil, daß die instationären Belastungsverhältnisse der Verzahnung, die sich dort aus dem diskontinuierlich erfolgenden Zahneingriff ergeben, simuliert werden können.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung. Darin zeigt

Fig. 1 eine Prinzipskizze, die die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung verdeutlicht;

Fig. 2 die geometrischen Zusammenhänge zur Auslegung der Prüfvorrichtung;

Fig. 3 eine weitere Darstellung zur Auslegung des Prüfstandes;

Fig. 4 die Geschwindigkeitsverhältnisse im Vergleich zwischen der Prüfvorrichtung und einem Zahnradgetriebe;

Fig. 5 eine schematische Ansicht des konstruktiven Aufbaus der Prüfvorrichtung in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht;

Fig. 6 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. 5;

Fig. 7 einen Schnitt entlang der Linie I-I in Fig. 5;

Fig. 8 einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 5;

Fig. 9 einen Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 5;

Fig. 10 die Befestigung der Prüfscheiben in einem Teilschnitt;

Fig. 11 den Aufbau der Prüfscheibe;

Fig. 12 einen Schnitt durch die Prüfscheibe.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung. Die Prüfvorrichtung besteht aus den beiden Prüfscheiben 1 und 1′, wobei die Prüfscheibe 1 eine räumlich fest fixierte Achse 2 und die Prüfscheibe 1′ eine verschiebbare Achse 2′ aufweist. Der Antrieb der Prüfvorrichtung erfolgt in dem dargestellten Beispiel über eine Riemenscheibe 3 mit einem Riemen 4. Bei der Riemenscheibe kann es sich z. B. um eine Keilriemenscheibe und bei dem Riemen 4 um einen Keilriemen handeln, es ist jedoch auch möglich, einen flachen Kunststoffriemen oder einen Zahnriemenantrieb zu verwenden. Außerdem kann zum Antrieb ein Elektromotor mit einer durchgehenden Achse verwendet werden, was den Vorteil hat, daß sich eventuell durch den Riemenantrieb entstehende Schwingungen nicht auf die Prüfkörper übertragen können. Die Riemenscheibe ist mit einer Welle 5 verbunden, die in zwei Lagern 6 und 7 gelagert ist. An den beiden Enden der Welle befindet sich jeweils eine kurze Kurbel 10 und 10′, die drehfest mit der Welle 5 verbunden sind. An dieser ersten kurzen Kurbel 10 und 10′ ist mittels eines Zapfens 30, 30′ eine zweite kurze Kurbel 11 und 11′ angelenkt. An diesen beiden kurzen Kurbeln sind wiederum zwei lange Kurbeln 12 und 12′ mit Zapfen 31, 31′ drehbar angelenkt. Die lange Kurbel 12 ist drehfest mit der Achse 2 des Prüfkörpers 1 verbunden und überträgt somit ihre hin- und hergehende Drehbewegung direkt auf den Prüfkörper 1. Die Bewegung der langen Kurbel 12′ wird über einen längen- und winkelausgleichende Kardanwelle 16 auf den Prüfkörper 1′ übertragen, um die Änderung der Winkelstellung des Prüfkörpers 1′ beim Aufbringen der Normalkraft und Fertigungstoleranzen auszugleichen. Die lange Kurbel 12′ weist deshalb eine Welle 13 auf, die in zwei Lagern 14 und 15 drehbar gelagert ist. Die Welle 13 ist mit der Kardanwelle 16 verbunden, die wiederum mit der Achse 2′ des Prüfkörpers drehfest verbunden ist. Der Prüfkörper 1 ist in zwei räumlich festen Lagern 20 und 21 gelagert, während der Prüfkörper 1′ zwei bewegbare Lager 22 und 23 aufweist. Mit diesen beiden Lagern kann eine Normalkraft in Richtung des Pfeiles 24 auf die Prüfkörper aufgebracht werden. Die Gegenkraft zu dieser Normalkraft 24 wird durch die Lager 20 und 21 bewirkt.

Die Funktion der Vorrichtung ist nun die folgende: Wenn die Riemenscheibe 3 mit konstanter Drehzahl durch den Riemen 4 angetrieben wird, rotiert die Achse 5 ebenfalls mit konstanter Drehzahl. Dadurch rotieren die beiden kurzen Kurbeln 10 und 10′ ebenfalls mit konstanter Drehzahl um die räumlich feste Achse 5. Dadurch laufen die Achsen 30 und 30′, die die ersten kurzen Kurbeln 10, 10′ mit den zweiten kurzen Kurbeln 11, 11′ verbinden, ebenfalls mit konstanter Geschwindigkeit um. Die Achsen 31 und 31′, die sich zwischen den zweiten kurzen Kurbeln 11, 11′ und den langen Kurbeln 12, 12′ befinden, können nur eine Drehbewegung um die räumlich feste Achse 2 bzw. 13 ausführen. Die Rotation der kurzen Kurbeln 10, 10′ führt deshalb zu einer entsprechenden hin- und hergehenden Bewegung der langen Kurbeln 12 und 12′ und damit der Prüfkörper.

Die Länge der beiden kurzen Kurbeln und der langen Kurbel müssen dem jeweiligen Simulationsfall angepaßt werden. In jedem Falle gilt die Bedingung, daß die Länge der langen Kurbel 12 plus die Länge der zweiten kurzen Kurbel 11 zumindest genau so lang sein muß wie der Abstand der Achsen 2 und 5 plus der Länge der kurzen Kurbel 10.

Die Anpassung der Kurbellänge an den jeweiligen Simulationsfall werden nachfolgend theoretisch und anhand eines praktischen Beispiels erläutert:

Die Fig. 2 und 3 zeigen die geometrischen Zusammenhänge, die für die kinematische Analyse der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung benötigt werden. Fig. 2 zeigt die Prüfscheibe 1 mit dem geometrischen Mittelpunkt C und dem Durchmesser d. Die Drehachse der Kurbelanordnung, die bei dem Ausführungsbeispiel mit der Welle 5 zusammenfällt, ist mit dem Buchstaben O gekennzeichnet, der Kontaktpunkt ist mit dem Pfeil 35 markiert. Die erste kurze Kurbel 10 hat die Länge a, die zweite kurze Kurbel 11 weist die Länge b auf. Die lange Kurbel 12 wiederum, die drehfest mit der Achse 2 des Prüfkörpers 1 verbunden ist, hat die Länge c. Wesentliche Voraussetzung für eine erfolgreiche Simulation ist, daß der Geschwindigkeitsverlauf der Tangentialgeschwindigkeiten der Zahnflanken möglichst weitgehend erreicht wird. Dabei ist nicht nur die Anpassung der Kurbeln selbst von Bedeutung, es muß vielmehr auch ein mit der Wirklichkeit gut übereinstimmender Wälzpunkt für die Vorrichtung gefunden werden. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Wälzpunkte im Hin- und Hergehen bei der Vorrichtung nicht automatisch zusammenfallen; diese, für die korrekte Simulation wichtige Bedingung muß durch die Auslegung erfüllt werden. Die Lage der Kurbeln im Wälzpunkt sind deshalb besonders mit den Buchstaben A₀ und B₀ gekennzeichnet. Die Stellung der Kurbeln nach einem beliebigen anderen Drehwinkel ϕ sind durch die Buchstaben A und B bezeichnet. Die maximale Auslenkung wird durch die Buchstaben A _max und B _max dargestellt, die minimale Auslenkung ist B _min . Die dazugehörigen Winkel am Prüfkörper sind mit ψ _min , ψ und ψ _max bezeichnet.

Der Abstand zwischen der Querachse O des Kurbelsystems und dem Kontaktpunkt 35 des Prüfkörpers ist e.

Für den zweiten Prüfkörper gelten im wesentlichen die gleichen geometrischen Verhältnisse, die Lage des zweiten Prüfkörpers ist durch den Buchstaben A′₀ angedeutet. A₀ und A′₀ müssen symmetrisch zur Verbindung B₀ sein und auf einer Geraden durch die Drehachse O liegen, so daß A₀ durch Drehung der Kurbel a um ϕ = 180 Grad in A′₀ überführt werden kann, wobei der Punkt B₀ dann für beide Fälle zusammenfällt. Die Kurbel 12 mit der Länge c und die Strecke B₀ -O stehen senkrecht aufeinander.

Die beste Übereinstimmung der Geschwindigkeitsverhältnisse zwischen dem zu simulierenden Zahnradgetriebe und der Prüfvorrichtung ergibt sich, wenn für die Radien d und d′ der beiden Prüfkörper die Krümmungsradien im Wälzpunkt der zu simulierenden Zahnräder gewählt werden. Die Ermittlung dieser Krümmungsradien ist dem Fachmann bekannt und braucht deshalb hier nicht näher erläutert zu werden.

Als weitere Bedingung für die Simulation ergibt sich, daß die Länge des überrollten Teils der Prüfscheiben genauso lang sein muß wie die entsprechenden Längen der Zahnflanken. Es muß also für beide Zahnflanken zunächst die Länge der aktiven Evolvente bestimmt werden, und zwar im einzelnen die S _1ac , die Länge der Evolvente zwischen dem Eingriffsbeginn und dem Wälzpunkt des Ritzels; die Länge S _1ec , die Flankenlänge zwischen Wälzpunkt und dem Ende des Eingriffs beim Ritzel; die Strecke S _2ac , die Länge zwischen Eingriffsbeginn und Wälzpunkt beim Rad sowie die Länge S _2ec als Streckenlänge zwischen dem Wälzpunkt und dem Eingriffsende beim Rad. Diese Streckenlängen ergeben sich ohne weiteres aus der Verzahnungsgeometrie und können vom Fachmann anhand der üblichen Berechnungsvorschriften ermittelt werden. Für den Prüfkörper 1 ergeben sich aus der Evolventenlänge und aus dem entsprechenden Durchmesser des Prüfkörpers folgende Auslenkungswinkel der Kurbel 12 für die entsprechenden Strecken, wobei ψ _max die maximale Auslenkung und ψ _min die minimale Auslenkung darstellt:

Für den zweiten Prüfkörper 1′ mit dem Durchmesser d′ ergeben sich die Werte:

Mit diesen geometrischen Beziehungen für die Auslenkung der Kurbel 12 lassen sich die Hebellängen a, b und c bzw. a′, b′ und c′ der Prüfvorrichtung berechnen. Für die Berechnung wird ein Koordinatensystem X, Y verwendet, wie dies in Fig. 2 eingezeichnet ist. Die Lage dieses Koordinatensystems wird durch die Lage der Kurbeln im Wälzpunkt bestimmt. Die X-Achse liegt im Abstand d parallel zur Kurbel 12 in der Wälzpunktstellung, während die Y-Achse senkrecht zur X- Achse liegt und durch den Schnittpunkt zwischen der Kurbel 11 und der Kurbel 12 läuft. Die geometrischen Zusammenhänge führen zu folgenden Gleichungen:

Diese sechs Gleichungen enthalten die sieben unbekannten Größen X _Bmin , Y _Bmin , X _Bmax , Y _Bmax und die Hebellängen a, b und c. Das Gleichungssystem kann iterativ gelöst werden, wobei die Kurbellänge c vorher festgelegt werden kann. Die iterative Lösung eines solchen Gleichungssystems ist dem Fachmann bekannt, zweckmäßigerweise kann hier eine elektronische Rechenhilfe eingesetzt werden, wie z. B. ein Mikro- Computer.

Für die Berechnung der Kurbellängen a′, b′ und c′ für den Antrieb des zweiten Prüfkörpers 1′ gelten die selben Gleichungen. Die Kurbellänge c′ wird zunächst mit einem beliebigen Wert vorgegeben und muß nach Durchführung der iterativen Rechnung angepaßt werden. Aus dem Aufbau der Prüfvorrichtung gemäß Fig. 5 ergibt sich nämlich die Bedingung, daß der Abstand zwischen der Drehachse des Antriebes und dem Berührpunkt der beiden Prüfscheiben für beide Kurbel- Antriebe gleich sein muß. Die Kurbellängen müssen deshalb für den Antrieb des zweiten Prüfkörpers 1′ so gewählt werden, daß der Abstand e des Antriebs des ersten Prüfkörpers gleich dem Abstand e′ des zweiten Prüfkörpers ist. Im einzelnen gelten dafür die folgenden Beziehungen:

e²= c²+b²-a²-d² e′²= c′²+b′²-a′²-d′².

Die Kurbellängen für den Antrieb des zweiten Prüfkörpers werden nun linear so vergrößert oder verkleinert, daß das Verhältnis des Abstandes e/e′ = 1 ist.

Damit sind die für die Simulation erforderlichen Kurbellängen und der Achsabstand bestimmt. Festgelegt werden muß noch, wie groß der Winkel α (vgl. Fig. 3) zwischen den beiden Kurbeln 10, 10′ sein soll. Dieser Winkel muß so bemessen werden, daß die berechneten Wälzpunkte für die beiden Prüfkörper zusammenfallen. Der Winkel α ergibt sich aus der Geometrie der Prüfvorrichtung durch die Beziehung:

α = 180°-(ψ r +ψ r′)

wobei ψ r ist gleich

und

Mit der Bestimmung des Winkels α ist die Berechnung der Geometrie der Prüfvorrichtung abgeschlossen.

Als Beispiel werden die Ergebnisse der Berechnung für folgenden Fall angegeben: Zu simulieren war eine Prüfverzahnung mit einem Modul von 10 mm und mit einer Zähnezahl des Rades und des Ritzels von 12. Der Achsabstand betrug 120 mm und die Profilverschiebung war 0. Der Eingriffswinkel am Wälzkreis betrug 20°, die Kopfkreisdurchmesser der Zahnräder waren 139,5 mm. Damit ergaben sich für die Prüfvorrichtung folgende Werte:

(Bei diesem Beispiel sind die Längen der Kurbel für beide Antriebe und der Durchmesser der Prüfscheiben gleich.)

Durchmesser der Prüfscheibend = 20,521 mm Maximale Auslenkung der Kurbel 12 ψ _max = 31,281° Minimale Auslenkung der Kurbel 12 ψ _min = 10,427° Länge der ersten kurzen Kurbel 10 a = 29,547 mm Länge der zweiten kurzen Kurbel 11 b = 37,120 mm Länge der langen Kurbel 12 c = 83 mm Abstand zwischen Achse der Prüfkörper und Antriebsachsee = 83,503 mm Winkel zwischen den Kurbeln 10 und 10′α = 152,386°

Die mit dieser Auslegung erzielten Geschwindigkeitsverhältnisse sind in der Fig. 4 dargestellt. Die gestrichelte Linie zeigt jeweils den Verlauf der Geschwindigkeit im Zahnradgetriebe, während die durchgezogene Linie den Geschwindigkeitsverlauf in der Prüfmaschine darstellt. Auf der Ordinatenachse ist das Verhältnis der jeweiligen Tangentialgeschwindigkeit w zur jeweiligen Summengeschwindigkeit der beiden miteinander im Eingriff stehenden Körper dargestellt. Die Summengeschwindigkeit v _s , auch als hydrodynamisch wirksame Geschwindigkeit bezeichnet, ist die wesentliche Kenngröße für das Entstehen eines Schmierfilms, da nur bei ausreichend großer Summengeschwindigkeit Öl in den Schmierspalt gefördert werden kann. Auf der Abzisse ist der auf dem Prüfkörper bzw. auf der Evolvente der Verzahnung zurückgelegte Weg aufgetragen. Die Streckenlänge wird vom Wälzpunkt aus gemessen.

Die Kurve 40 zeigt den Geschwindigkeitsverlauf des Ritzels w₁ im Verhältnis zur Summengeschwindigkeit V _s . Die benachbarte Kurve 41 zeigt die gleiche Kurve für den Prüfkörper 1 der Prüfmaschine. Die Kurve 42 zeigt die Geschwindigkeitsänderung des Rades des Zahnradgetriebes während die Kurve 43 die der Kurve 41 entsprechende Kurve für den Prüfkörper 1′ darstellt. Die Kurve 44 schließlich zeigt den Verlauf der Gleitgeschwindigkeit in der Verzahnung, wiederum auf die Summengeschwindigkeit V _s bezogen. Die Gleitgeschwindigkeit ist für die Erwärmung des Zahnradgetriebes und damit insbesondere für die Entstehung von Freßverschleiß verantwortlich. Kurve 45 zeigt wiederum den entsprechenden Verlauf der Gleitgeschwindigkeit für die Prüfvorrichtung. Man erkennt, daß alle für die Schmierfilmbildung und für den Verschleiß wesentlichen Geschwindigkeitswerte von Zahnradgetriebe und Prüfvorrichtung außerordentlich gut übereinstimmen. Damit ist die Aufgabe, eine wirklichkeitsnahe Simmulation der Vorgänge im Zahnradgetriebe zur ermöglichen, gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung zeigen die Fig. 5 bis 11. Dabei wurden zur Vereinfachung die gleichen Bezugszeichen verwendet, wie bei der Beschreibung der Prinzipsskizze in Fig. 1.

Fig. 5 zeigte eine Seitenansicht der Prüfvorrichtung. Die Prüfscheibe 1 ist auf einer Welle 2 angeordnet, welche wiederum in zwei Wälzlagern 20 und 21 gelagert ist. Es wird darauf hingewiesen, daß jenach Betriebsbedingungen anstelle dieser Wälzlager, wie auch bei den anderen Wälzlagern, hydrodynamisch oder hydrostatisch wirkende Gleitlager verwendet werden können.

Die Welle 2 ist drehfest mit der langen Kurbel 12 verbunden, die wiederum drehbar mit der Kurbel 11 verbunden ist. Die Einzelteile der drehbaren Verbindung zwischen den einzelnen Kurbeln brauchen nicht dargestellt zu werden, sie sind dem Fachmann ohne weiteres geläufig. Die zweite kurze Kurbel 11 ist wiederum drehbar mit der ersten kurzen Kurbel 10 verbunden, die drehfest auf der Welle 5 angeordnet ist. Die Welle 5 ist in Wälzlagern 6, 7 gelagert und trägt in ihrer Mitte eine doppelte Riemenscheibe 3 mit zwei Keilriemen 4. Anstelle dieser Keilriemen kann auch ein Flachriementrieb, z. B. mit einem Kunststoffriemen oder ein Zahnriementrieb Verwendung finden. Es ist auch, bei einer anderen räumlichen Gestaltung der Welle 5 möglich, die elektrische Antriebsvorrichtung direkt darauf aufzubringen. In diesem Fall muß allerdings berücksichtigt werden, daß durch die Wälzlager Öl in diesen Teil des Gehäuses eintreten kann. An ihrer unteren Seite ist die Welle 5 drehfest mit der ersten kurzen Kurbel 10′, die wiederum drehbar mit der zweiten Kurbel 11′ und diese wiederum mit der langen Kurbel 12′ verbunden. Die lange Kurbel 12′ ist drehfest mit einer Welle 13 verbunden, die fliegend in den Wälzlagern 14 und 15 gelagert ist. Wiederum drehfest mit dieser Welle 13 ist eine Kardanwelle 16 verbunden, die sowohl Winkel- als auch Längenänderungen ausgleichen kann. Die Kardanwelle 16 wird benötigt, da der Prüfkörper 1′, der in dieser Darstellung nicht zu erkennen ist, ohne Gegenwirkung des Antriebs auf den Prüfkörper 1 gepreßt werden können muß.

Die gesamte Prüfvorrichtung ist in einem Gehäuse untergebracht, wobei ein unteres Gehäuseteil 50 und ein oberes Gehäuseteil 51 vorgesehen sind. Das Gehäuse ist mit einem Gehäusedeckel 52 abgeschlossen. Die Einzelteile der Gehäuseausbildung ergeben sich aus den konstruktiven Gegebenheiten und brauchen nicht erläutert zu werden.

Fig. 6 zeigt eine um 90° gegenüber der Fig. 5 gedrehte Seitenansicht. Man erkennt hier das Zusammenwirken der Prüfkörper 1 und 1′ und ihre jeweilige Lagerung im Gehäuse. Des weiteren ist die Funktion der Anpreßvorrichtung für das Andrücken der Prüfscheibe 1′ an die Prüfscheibe 1 zu erkennen. Die Prüfscheibe 1′ ist mit ihrer Welle 2′ in den Wälzlagern 21 und 20 gelagert. Diese Wälzlager werden von einem drehbaren Rahmen 55 aufgenommen. Dieser Rahmen ist, wie in der Schnittansicht in Fig. 7 zu erkennen ist, drehbar um die Achse 56 angelenkt. Das Aufbringen der Belastung erfolgt, indem in den Druckraum 61 der Belastungsvorrichtung 60 Drucköl zugeführt wird. Dieses Drucköl wirkt auf den Stempel 62, der die dadurch erzeugte Kraft mittels des Druckstückes 63 an den Rahmen 55 der Prüfscheibe 1′ weitergibt. Die Aufbringung der Belastung über dieses hydraulische System hat den besonderen Vorteil, daß die jeweilige Belastungshöhe einfach über ein Manometer abgelesen werden kann. Die Antriebskraft ergibt sich dann, indem der jeweilige Druck mit der Fläche des Stempels 62 multipliziert wird. Die Fig. 8 und 9 zeigen zwei weitere Schnittansichten durch die Prüfvorrichtung. Fig. 8 zeigt einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 5 mit der Aufsicht auf die Kurbelanordnung zum Antrieb der Prüfscheibe 1 durch die Rotation der kurzen Kurbel 10 in Richtung des Pfeiles 65. Es entsteht über die Kurbel 11 an der Kurbel 12 eine hin- und hergehende Bewegung in Richtung des Pfeiles 66. In gleicher Weise geschieht dies bei dem Antrieb für die Prüfscheibe 1′, der in Fig. 9 dargestellt ist. Die Rotation der kurzen Kurbel 10′ in Richtung des Pfeiles 65′ führt hier zu einer hin- und hergehenden Bewegung der langen Kurbel 12′ in Richtung des Pfeiles 66′. Die Achsen der einzelnen Kurbeln sind vereinfacht durch die Kreuze, bzw. durch die Schnittpunkte der gestrichelt gezeichneten Symmetrielinien der verschiedenen Kurbeln dargestellt.

Es ist ein weiteres wichtiges Anliegen der Erfindung, eine Wechseleinrichtung für die Prüfscheiben zur Verfügung zu stellen, welches einerseits ein schnelles Wechseln der Prüfscheiben erlaubt, welches jedoch andererseits auch zuverlässig insbesondere die hin- und hergehenden Bewegungen des Exzenterantriebs aufnehmen und an die Prüfscheiben weiterleiten kann. Die Erfindung schlägt hier vor, die Prüfscheiben mit einer konzentrischen Paßschraube zu befestigen, wobei die Drehübertragung von den Wellen 2, 2′ auf die Prüfscheiben mittels radialer Nuten erfolgt. Die Einzelheiten dieser Verbindung sind in Fig. 10 dargestellt. Die Welle 2 bzw. 2′ weist Vorsprünge 70 auf, welche in gleichem Abstand um die Welle verteilt sind. Die Prüfscheibe 1 weist, wie insbesondere aus der Darstellung in Fig. 11 hervorgeht, entsprechende Vertiefungen 71 auf, die ebenfalls radial auf den gleichen Umfang verteilt sind. Die Befestigung selbst erfolgt mit der Paßschraube 72, welche eine entsprechende Bohrung in der Prüfschraube 73 durchdringt. Ein entsprechend gearbeitetes Zwischenstück 74 bildet den Zapfen für das Wälzlager 20.

Das dargestellte Ausführungsbeispiel wurde entwickelt, um die Simulation von Zahnradgetrieben zu ermöglichen. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß es mit einer gleichen Kurbelanordnung bei unterschiedlicher Auslegung auch möglich ist, kombinierte Roll-Gleitkontakte, wie sie in vielen anderen technischen Anwendungen auftreten, z. B. bei Nocken-Stößel-Paarung oder bei Wälzlagern zu simulieren.

Claims (13)

1. Prüfvorrichtung zur Simulation des Verhaltens von sich unter Normalkraftbelastung bewegenden Kontakten in Maschinenelementen mit mindestens zwei Prüfkörpern, wobei mindestens ein erster über ein Getriebe angetriebener Prüfkörper eine Rollbewegung mit oder ohne überlagerter Gleitbewegung auf einem zweiten Prüfkörper ausführt, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb mindestens eines Prüfkörpers (1, 1′) über eine Kurbelanordnung erfolgt, wobei diese Kurbelanordnung aus einer ersten, mit im wesentlichen konstanter Geschwindigkeit um eine erste Achse (5) umlaufenden kurzen Kurbel (10, 10′) besteht, sowie aus einer zweiten kurzen Kurbel (11, 11′), welche an der ersten Kurbel (10, 10′) im Abstand von der ersten Achse (5) an einer zweiten Achse (30) angelenkt ist und aus einer dritten langen Kurbel (12, 12′), die an der zweiten Kurbel (11, 11′) im Abstand von der zweiten Achse an einer dritten Achse (31) angelenkt ist und im Abstand von dieser dritten Achse eine räumlich feste Achse (2, 13) aufweist, welche drehfest mit den Achsen der Prüfkörper verbunden ist.

2. Prüfvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Kurbeln (10, 10′, 11, 11′, 12, 12′), d.  h. der Abstand zwischen den Kurbelachsen, verstellbar ist.

3. Prüfvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Massenkräfte der Kurbeln (10, 10′, 11, 11′, 12, 12′) durch Gegengewichte ausgeglichen sind.

4. Prüfvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Prüfkörper vorgesehen sind, welche jeweils über eine Kurbel-Anordnung angetrieben sind.

5. Prüfvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Prüfkörper vorgesehen sind, von denen einer über eine Kurbel-Anordnung angetrieben ist.

6. Prüfvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß drei Prüfkörper vorgesehen sind, die derart nebeneinander angeordnet sind, daß ihre Achsen in einer Ebene liegen.

7. Prüfvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß drei Prüfkörper vorgesehen sind, deren Achsen im Schnitt die Eckpunkte eines Dreiecks bilden.

8. Prüfvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfkörper rotationssymmetrisch zur Drehachse gestaltet sind.

9. Prüfvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Prüfkörper vorgesehen sind, die über eine gemeinsame Achse angetrieben werden.

10. Prüfvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Prüfkörper eine Antriebsachse zugeordnet ist.

11. Prüfvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung des Antriebsmoments von der Antriebswelle (2, 2′) auf den Prüfkörper (1, 1′) mittels Radialnuten erfolgt, die symmetrisch an dem Prüfkörper angeordnet sind.

12. Prüfvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastung hydraulisch erfolgt, wobei an den Umkehrpunkten der Bewegung ein Druckabfall in der hydraulischen Belastungseinrichtung bewirkt wird.

13. Prüfvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Rücklauf mit verminderter oder ohne Belastung erfolgt.