DE3638726A1 - Erfassen von beruehrverhaeltnissen in kontaktzonen zweier koerper mit waermestrahlungsempfindlichem sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen von Berührverhältnissen in Kontaktzonen von Körpern, insbesondere von Tragbildern bei Zahnradpaarungen. Die aus Pressung und Relativbewegung erzeugte Wärmetönung in der Kontaktzone wird mit einem wärmestrahlungsempfindlichen Sensor erfaßt, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Kenntnis der Kontaktzone zweier sich berührender Körper ist vor allem bei hochbelasteten Wälzkontakten, wie sie bei zwei im Eingriff stehenden Zahnrädern auftreten, wichtig. Bei Kegel- und Hypoidradsätzen muß, bedingt durch nicht reproduzierbare Einflüsse in der Fertigung, bei der Montage die richtige relative Lage zwischen den Rädern anhand des sogenannten Tragbilds ermittelt werden. Das Tragbild, die Kontaktzone zwischen zwei Flanken, muß dabei in einem bestimmten Bereich der Flanken plaziert werden, um dem Rad­ satz eine ausreichende Tragfähigkeit und Lebensdauer in Verbindung mit mög­ lichst geringer Geräuschentwicklung zu verleihen. Das Tragbild wird außerdem zur Einstellung und Korrektur der Fertigungsmaschinen bei der sogenannten Entwicklung des Radsatzes benötigt. Das Ziel der Entwicklung des Radsatzes ist optimale Parameter für die Serienfertigung und das Laufverhalten des Radsatzes zu finden.

In der gegenwärtigen industriellen Praxis wird das Tragbild entweder auf speziellen Laufprüfmaschinen oder auch im Gehäuse erfaßt, indem die Verzah­ nung mit Tuschierpasten oder Lacken bestrichen oder besprüht wird. Beim anschließenden Lauf unter geringer Last wird das Tuschiermittel an den Kontaktzonen der Flankenflächen abgetragen. Anhand des dabei entstandenen tuschiermittelfreien Bereichs beurteilt der Prüfer das Tragbild bzw. die Qualität des Radsatzes. Diese Prüfmethode ist subjektiv, d.h. der Prüfer kann ausgehend vom visuell erfaßten Tragbild nur begrenzt reproduzierbare Qualitätsaussagen machen. Hinzu kommt, daß keine umfassende Dokumentation der Prüfergebnisse möglich ist und damit über längere Zeiträume zu erfassen­ de Trends und Einflußgrößen aus der Fertigung verloren gehen. Bei der kon­ ventionellen Prüfung entsteht das Tragbild außerdem aus einer Vielzahl von Überrollungen, d.h. es wird eine Summe von Einzeltragbildern überlagert und damit die Beurteilung eines einzelnen Zahneingriffs unmöglich. Praktisch bedeutet das, daß das bei einer bestimmten Zahnkombination auftretende schlechte Einzeltragbild durch eine Vielzahl von guten Tragbildern überdeckt werden kann und dadurch die Qualitätsbeurteilung verfälscht wird. Die Erfas­ sung weiterer wichtiger Qualitätsdaten, wie Übertragungsverhalten und Ver­ drehflankenspiel, kann auf den heute üblichen Laufprüfmaschinen nicht pa­ rallel zur Tragbildprüfung durchgeführt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Tragbilderfassung an Zahnrä­ dern, insbesondere an Kegel- und Hypoidverzahnungen, zu verbessern und zu automatisieren, um eine objektive Beurteilung des Tragbildes zu ermöglichen. Zur umfassenden Qualitätsbeurteilung eines Radsatzes soll mit der Prüfein­ richtung zusätzlich das Übertragungsverhalten und das Verdrehflankenspiel erfaßt werden.

Diese Aufgabe wird nach Fig. 1 erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß die in der Kontaktzone 1 der Flankenfläche 2 durch die darin herrschende Pressungs­ verteilung 3 und Relativbewegung 4 erzeugte Wärme erfaßt wird. Die in der Kontaktzone erzeugte Wärme führt nämlich zu einer Temperaturerhöhung gegen­ über der übrigen Flankenfläche, die mit einem wärmestrahlungsempfindlichen Sensor aufgenommen wird. Die nach diesem Prinzip arbeitende Laufprüfmaschine wird zusätzlich mit einer Einrichtung zur Messung des Übertragungsverhaltens und des Verdrehflankenspiels ausgestattet.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß eine verbesserte und automatisierte Erfassung der Berührverhältnisse in Kontaktzonen zweier Körper möglich ist. Die thermografisch erfaßte Wärme­ verteilung läßt sich speichern und auswerten. Diese Vorteile lassen sich insbesondere bei der Prüfung und Einstellung von Kegel- und Hypoidradsätzen nutzen. In Verbindung mit der Messung des Übertragungsverhaltens und des Verdrehflankenspiels ist eine objektive Beurteilung des Prüfradsatzes mög­ lich. Die thermografische Tragbilderfassung in Verbindung mit den beiden anderen Prüfverfahren hat weiter den Vorteil, daß Einzeltragbilder und das zugeordnete Übertragungsverhalten und Verdrehflankenspiel erfaßt werden kön­ nen. Die kurze thermische Zeitkonstante, bedingt durch die gute Wärmeleitung der Zahnräder, hat nämlich zur Folge, daß das thermisch erzeugte Tragbild praktisch nach einem Umlauf verschwunden ist. Die Methode der thermischen Erfassung von Berührverhältnissen läßt sich auf allgemeine Kontaktflächen erweitern in denen Wärme entsteht und fließt, z.B. erzeugt durch elektri­ schen Stromfluß, bedingt durch den Kontaktwiderstand. Ein Ausführungsbei­ spiel der Erfindung ist in der Fig. 2 dargestellt und wird im folgenden beschrieben.

Die Fig. 2 zeigt den Aufbau der Kegelradlaufprüfmaschine. Die Antriebsein­ heit 5 besteht aus einer Antriebsspindel und einem elektrischen Antriebsmo­ tor 6. Am Ende der Antriebsspindel befindet sich die Spannvorrichtung zur Aufnahme des Kegelradritzels des Prüfradsatzes 7. Das Kegelradritzel treibt über das Tellerrad die Abtriebsspindel an. Tellerrad und Abtriebsspindel sind durch eine zweite Spannvorrichtung fest miteinander verbunden. An der Abtriebsspindel befindet sich eine Reibungsbremse 8, die zusammen mit dem Antriebsmotor 6 den notwendigen Leistungsfluß durch den Prüfradsatz 7 er­ zeugt. Die am Prüfradsatz erzeugte Verlustleistung führt zu einer Erwärmung der Kontaktzonen (Tragbild) der Flankenflächen, die mit einer Thermografie­ kamera 10 erfaßt werden. Zur Grundeinstellung des Prüfradsatzes bzw. zur Tragbildeinstellung dienen drei Einstellbewegungen, die durch translatori­ sche Achsen ermöglicht werden. Durch einen Kreuztisch 10, auf dem die An­ triebseinheit 5 montiert ist, werden die Bewegungen in zwei Achsen, in der dritten durch die Vertikalpinole 11, in der die Abtriebsspindel gelagert ist, ermöglicht. Die linearen Verstellbewegungen erfolgen jeweils über einen Positionierantrieb 12 mit Rückführung der Position über ein Wegmeßsystem 13. Der Kreuztisch 10 ist auf einer Hartgesteinplatte 14, die Führung der Verti­ kalpinole 11 in einer Bohrung derselben montiert.

Zur Ermittlung des Übertragungsverhaltens des Prüfradsatzes dient ein Servo­ beschleunigungsaufnehmer 15, der fest mit der Abtriebsspindel verbunden ist. Zur Gewährleistung der permanenten Anlage der Flanken des Prüfradsatzes während der Messung des Übertragungsverhaltens wird eine spezielle Bremse 16 die ein kleines, aber konstantes Bremsmoment liefert, verwendet. Die Be­ schleunigungssignale werden über einen Drehübertrager 17 zur Meßwertverarb­ eitung geführt. Eine Drehwinkelmeßeinrichtung 18, die fest mit der Antriebs­ spindel verbunden ist, erlaubt eine Positionsregelung für vorgegebene Dreh­ stellungen der Antriebsspindel. Außerdem wird sie zur Kompensation von An­ triebsdrehzahlschwanken bei der Erfassung des Übertragungsverhaltens und zur Messung des Verdrehflankenspiels verwendet.

Bei der Tragbildprüfung wird der Prüfradsatz 7 über den Antriebsmotor 6 an­ getrieben und durch die Bremse 8 belastet. Nach kurzer Zeit kann das Trag­ bild infolge der durch die auftretende Verlustleistung in den Kontaktzonen erzeugte Wärme aufgenommen werden. Die Aufnahme kann während des Laufs mit einem Sensor nach Anspruch 7 und 8 oder nach raschem Abbremsen und Still­ setzen des Prüfradsatzes mit einer Thermografiekamera nach Anspruch 4 und 8 erfaßt und einer elektronischen Bildverarbeitung zugeführt werden. Mit spe­ ziellen Feststoffen und Flüssigkeiten nach Anspruch 3 kann die Tragbilder­ mittlung durch Erhöhung des Reibwertes und des Emissionsgrades der Flanken­ fläche verbessert werden.

Bei der Messung des Übertragungsverhaltens wird der Prüfradsatz 7 ebenfalls über den Antriebsmotor 6 angetrieben. Als Last wird das kleine konstante Moment der Bremse 16 verwendet, das lediglich für eine permanente Anlage der Flankenflächen des Prüfradsatzes sorgt. Die Signale des Beschleunigungsauf­ nehmers 15 werden über den Drehübertrager 17 einer elektronischen Meßwerter­ fassung zugeführt. Das Signal der Drehwinkelmeßeinrichtung 18 wird parallel der Meßwerterfassung zugeführt und dient zur Kompensation der auftretenden Antriebsdrehzahlschwankungen.

Bei der Messung des Verdrehflankenspiels wird die Abtriebsspindel mit der Bremse 8 festgehalten und die Antriebsspindel mit dem Antriebsmotor 6 kon­ trolliert in beiden Richtungen gedreht und Flankenanlage am Prüfradsatz 7 überprüft. Aus den Signalen der Winkelmeßeinrichtung 18 bei Vorder- und Rückflankenanlage läßt sich das Verdrehflankenspiel ermitteln.

Claims (8)

1. Verfahren zum Erfassen von Berührverhältnissen in Kontaktzonen zweier sich berührender Körper, insbesondere von Tragbildern bei sich berühren­ den Bauteilen, z.B. bei Zahnrädern, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Pressung und Relativbewegung erzeugte Wärmetönung in der Kontaktzone mit einem wärmestrahlungsempfindlichen Sensor erfaßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Wärme in der Kontaktzone, durch elektrischen Stromfluß, bedingt durch Über­ gangswiderstände erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme­ erzeugung in der Kontaktzone durch spezielle Feststoffe und Flüssig­ keiten erhöht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensor eine Thermografiekamera eingesetzt wird.

5. Prüfmaschine abgeleitet aus Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Zahnrädern, insbesondere bei Kegel- und Hypoidrädern, zusätzlich das Übertragungsverhalten und das Verdrehflankenspiel gemessen und zu einer Qualitätsbeurteilung herangezogen wird.

6. Prüfmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das gemessene Tragbild, das Übertragungsverhalten und das Verdrehflankenspiel ausge­ wertet und direkt für Einstellvorgänge benutzt wird.

7. Tragbildsensor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß, in Zusammenhang mit der Prüfmaschine nach Anspruch 5 und 6, das Tragbild unter Ausnutzung der Rotation der Räder mit einem wärmestrahlungs­ empfindlichen Linearsensor oder einem wärmestrahlungsempfindlichen, punktförmigen Sensor mit zusätzlichem Schwingspiegel oder rotierendem Spiegelpolygon erfaßt wird.

8. Kontaktzonensensor nach Anspruch 1 bis 4 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum wärmestrahlungsempfindlichen Sensor ein Sensor für sichtbares Licht mit gleichem Strahlengang eingesetzt wird, um die Lage der Kontaktzone gegenüber der Berandung genauer feststellen zu können.