DE60020158T2

DE60020158T2 - Zahnradprüf- oder läppmaschine

Info

Publication number: DE60020158T2
Application number: DE60020158T
Authority: DE
Inventors: D. William MCGLASSON; A. David WRIGHT; W. Michael ROBERTS; J. Anthony NORSELLI
Original assignee: Gleason Works
Current assignee: Gleason Works
Priority date: 1999-12-17
Filing date: 2000-12-05
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2020-12-06
Also published as: US6481508B2; EP1237675A1; JP2003520689A; KR20030019302A; EP1237675B1; AU1949601A; MXPA02005862A; WO2001043908A1; DE60020158D1; BR0016454A; CA2393341A1; US20010030050A1; CN1433348A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Werkzeugmaschinen zum Läppen und Testen von Zahnrädern.
Hintergrund der Erfindung
Läppen ist hat sich als Verfahren zum Fertigbearbeiten der Zahnflanken von Kegelrädern durchgesetzt. Dieses Verfahren stellt eine kostengünstige Alternative zu anderen mechanischen Endbearbeitungs-Verfahren für Kegelräder dar und wird in allen Bereichen, mit Ausnahme einiger Flugzeuganwendungen, eingesetzt.
Beim Läppverfahren werden ein Ritzel und ein Zahnkranz durch passende Aufspannvorrichtungen auf entsprechende Spindeln in einer Läppmaschine angebracht, welche dieselbe Grundkonstruktion wie eine Testmaschine aufweist. In den meisten Fällen des Drehens des Zahnradsatzes ist das Ritzel das Antriebselement und der Zahnradkranz gebremst. Die Zahnräder werden kämmend gedreht, und eine Läpppaste, bei der es sich um ein Gemisch aus Öl (oder Wasser) und Siliciumcarbid oder einem ähnlichen Schleifmittel handeln kann, wird in den Kämmbereich gegossen. Beispiele für Läpp- und/oder Testmaschinen sind in den US-Patenten Nr. 3.099.901 (Hunkeler); Nr. 3.142.940 (Rebeski); Nr. 3.717.958 und Nr. 3.807.094 (Ellwanger et al.); Nr. 5.609.058 (Gnadt et al.); und Nr. 6.120.355 (Stadtfeld et al.) zu finden.
Die meisten Läpp- und Testmaschinen weisen drei verschiedene Freiheitsgrade auf, um die Relativ-Bewegung zwischen einem Zahnradkranz und einem Ritzel zuzulassen. Der erste Freiheitsgrad ist die Relativ-Bewegung in die Richtung der Zahnradkranzachse, die hierin als G-Richtung oder als G-Achse bezeichnet wird, der zweite Freiheitsgrad ist die Relativ-Bewegung in die Richtung der Ritzelachse, die hierin als H-Richtung oder als H-Achse bezeichnet wird, und der dritte Freiheitsgrad an Spielraum ist der Abstand zwischen der Zahnradkranz- und der Ritzelachse, der hierin als V-Richtung oder als V-Achse bezeichnet wird. Die V-Richtung ist auch als "Hypoidversatz" bekannt.
Beim Läpp- oder Testverfahren verursacht die Relativ-Bewegung in die V- und H-Richtung zu Positionsveränderungen im Tragbild der Elemente des Zahnradsatzes und modifiziert in der Tat dieses Kontaktmuster. Läppen beinhaltet das Drehen der im Eingriff befindlichen Zahnradelemente unter Wirkung einer Last, wobei ein Kontakt an einer gewünschten Stelle auf den Zahnflanken besteht. Somit sind die Elemente an bestimmten V- und H-Positionen angeordnet, wobei auch die G-Achse eine bestimmte Position einnimmt, um das gewünschte Zahnspiel bereitzustellen. Wird das Zahnrad geläppt, so verschiebt sich der Kontakt entweder zur äußeren oder zur inneren Hälfte der Zahnflanke, indem die V- und H-Stellungen so stark geändert werden, wie zur Herbeiführung einer solchen Verschiebung der Kontaktposition notwendig ist. Um das gewünschte Zahnspiel beizubehalten, muss auch die G-Achsenposition geändert werden, wenn V und H zum Erzielen der Verschiebung geändert werden.
Läppvorgänge können mit Ritzelspindelgeschwindigkeiten von etwa 1.000 U/min bis etwa 4.000 U/min durchgeführt werden. Bei höheren Geschwindigkeiten (beispielsweise 2.500–4.000 U/min) kann es zu einer – wenn auch nur leichten – Verstärkung der Auswirkung von Ungenauigkeiten der Spindelkonstruktion, der Triebstrangkonstruktion, von Fehlern bei der Bewegungsübertragung des Zahnradsatzes oder von Betriebsbedingungen kommen, wodurch unerwünschte periodische Änderungen bei den Antriebsmomenten entstehen, die ein solches Ausmaß annehmen können, dass die Tragbilder der fertig bearbeiteten Produkte durch das Läpperfahren nur schwer einzustellen sind.
Ein Lösungsansatz für dieses Problem wird im US-Patent Nr. 3.807.094 (Ellwanger et al.), behandelt, bei dem eine Läppmaschine eine Elastomerkupplung zwischen einem Paar aus Befestigungsblöcken an der Spindel, die mit einem Bremsmittel verbunden ist, angebracht ist (üblicherweise die Abtriebsspindel, an der der Zahnradkranz angebracht ist). Die Elastomerkupplung führt eine Verdrehungsbewegung aus, wodurch sich ein Befestigungselement relativ zum anderen Befestigungselement drehen kann, um Abweichungen in den Drehmomenten aufgrund der Bremsung der Spindel oder anderer, oben aufgeführter Ungenauigkeiten, zu isolieren und zu kompensieren.
Die oben angesprochene Elastomerkupplung weist eine festgelegte Kombination aus Dämpfungs- und Federungseigenschaften auf, die nicht unbedingt zum Trägheitsmoment der Spindel und den Zahnrad passend sind. Wenn es nun darum geht, unerwünschte Effekte durch Steuerung der Systemdynamik im Sinne von Trägheit, Dämpfungs- und Federungsrate zu isolieren und zu kompensieren, bietet deshalb eine Elastomerkupplung kaum eine Lösung des Problems.
Es ist bekannt, bei Maschinen eine mechanische Bremse an der Zahnradspindel oder eine elektronische Drehmomentsteuerung am Zahnradspindelmotor einzusetzen, um die während dem Testen oder Läppen zwischen den Zähnen des Zahnradsatzes einwirkende Last zu regeln. Diese Verfahren ermöglichen aber keine gute Steuerung der dynamischen Lastveränderungen, die als Funktion der Zahnrad- oder Ritzeldrehung und der Zahn-an-Zahn-Abrollübergange auftreten.
Die EP-A 0.061.086 offenbart einen Spindeleinsatz, der in die Bremsspindel einer Läppmaschine eingesetzt wird. Der Spindeleinsatz ist in Bezug auf die Maschinenspindel beweglich an den Lagern angeordnet und ist mit Ersteren über ein elastisches Element verbunden. Es wird vorgeschlagen, dass beim Läppen eines gezahnten Getrieberads das elastische Element die durch das Ineinandergreifen der Zahnräder verursachten Schwingungen anpasst.
Das US-Patent Nr. 4.788.476 offenbart eine computergesteuerte Läppmaschine zum Läppen von Kegelrädern. Beide Kegelräder werden jeweils von einem separaten Elektromotor angetrieben. Eine elektronische Übersetzung steuert und regelt einen der Elektromotore so, dass er als Master-Motor fungiert, und den anderen so, dass dieser, als Funktion der Drehgeschwindigkeit des Master-Motors und dem Übersetzungsverhältnis zwischen den beiden Kegelrädern, als Slave-Motor dient. Der Slave-Motor ist so gesteuert, dass er eine zusätzliche Drehgeschwindigkeit aufweist, die das relative Läppdrehmoment regelt.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Maschinenwerkzeugspindel bereitzustellen, die optimierte dynamische Eigenschaften, bestehend aus Federungs-, Dämpfungs- und Trägheitselementen, an den Tag legt. Ebenfalls ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein elektronisches Steuerungsschema bereitzustellen, das als zusätzliches Mittel zur Steuerung der dynamischen Kraft zwischen den Elementen des Zahnradsatzes auf die erfindungsgemäße Spindel anzuwenden ist.
Diese und weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen deutlicher hervor.
Zusammenfassung der Erfindung
In einem ersten Aspekt zielt die Erfindung auf ein Maschinenwerkzeug nach Anspruch 1 ab, welches eine Spindel mit einem hinteren Spindelabschnitt und einem vorderen Spindelabschnitt umfasst, wobei der hintere Spindelabschnitt und der vordere Spindelabschnitt relativ zueinander um dieselbe Achse drehbar sind. Die Spindel umfasst ein oder mehrere Federelemente, die sich zwischen dem hinteren Spindelabschnitt und dem vorderen Spindelabschnitt erstrecken, sodass bei der Drehung des vorderen Spindelabschnitts und des hinteren Spindelabschnitts um ein vorbestimmtes Ausmaß und einer Einschränkung der Drehung des vorderen Spindelabschnitts auf eben dieses Ausmaß das Anlegen einer zusätzlichen Drehung an den hinteren Spindelabschnitt zu einer Durchbiegung der Feder kommt, wodurch ein Drehmoment zwischen dem vorderen und dem hinteren Spindelabschnitt entsteht.
In einem weiteren Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung zudem ein Steuerungs verfahren nach Anspruch 12, dessen Ziel es ist, die Position von einer der Spindeln, üblicherweise der Zahnradelementspindel, und nicht das an diese angelegte Drehmoment zu steuern. Bei diesem Verfahren wird die Position der Spindel mit dem Zahnradelement relativ zur Position der Spindel mit dem Ritzelelement durch ein Mittel, wie etwa durch computernumerische Steuerung (CNC), eingestellt. Wird das Ritzelement mit einer gewissen Geschwindigkeit gedreht, so wird das Zahnradele ment mithilfe der CNC-Steuerung in Koordination mit dem Ritzel (ihrem Verhältnis entsprechend) gehalten. Die Zahnradelementspindel umfasst, Befehlen entsprechend, zusätzliche Drehkomponenten, die die Drehung des Zahnrads in Bezug auf das Ritzel vor- oder nacheilen lassen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 stellt eine bekannte Läppmaschine schematisch dar.
2 ist eine Draufsicht auf die Spindelanordnung der Maschine aus 1.
3 zeigt eine axiale Querschnittsansicht einer Spindel gemäß der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine vergrößerte Ansicht eines Federelements der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt eine vergrößerte Ansicht einer Positionierungsschraube zur axialen Positionierung des Federelements aus 4 in einer Spindel.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Nun werden die Einzelheiten der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erörtert.
1 veranschaulicht eine Läppmaschine, die allgemein mit 20 gekennzeichnet ist. Diese Läppmaschine ist von dem im zuvor angesprochenen US-Patent Nr. 6.120.355 geoffenbarten Typ. Um einen besseren Blick auf die verschiedenen Bestandteile der Maschine zu ermöglichen, zeigt 1 die Maschine 20 ohne Türen und Blechgehäusematerial. Die Maschine 20 umfasst eine einzelne Säule 22, die auch als Maschinenrahmen oder -basis betrachtet werden kann. Die Säule 22 umfasst zumindest drei, vorzugsweise vier, Seiten, wobei zumindest zwei der Seiten, die erste Seite 24 und die zweite Seite 26, senkrecht zueinander stehen. Die erste und die zweite Seite weisen jeweils eine Breite und eine Höhe auf (wie 1 zu entnehmen ist).
Die erste Seite 24 umfasst eine Werkstückspindel 28, die um eine Achse A_G (2) drehbar ist, und wird vorzugsweise von einem Direktantriebsmotor 30 angetrieben, der zwischen dem vorderen und dem hinteren Spindellager (nicht dargestellt) angeordnet ist. Die Spindel 28 ist entlang der Breite der ersten Seite 24 in die G-Richtung entlang auf den Führungen 32, die direkt an der Säule 22 angebracht sind, bewegbar. Die Bewegung der Spindel 28 in die G-Richtung wird vom Motor 34 über ein direktgekoppeltes Kugelgewinde (nicht dargestellt) ausgelöst. Vorzugsweise ist ein Kegelzahnradkranzelement 36 durch eine geeignete Aufspannvorrichtung, die auf dem Gebiet der Erfindung bekannt ist, lösbar an der Spindel 28 angebracht.
Die zweite Seite 26 umfasst eine Werkstückspindel 38, die um eine Achse A_P (2) drehbar ist, und wird vorzugsweise von einem Direktantriebsmotor 40 angetrieben, der zwischen dem vorderen und dem hinteren Spindellager (nicht dargestellt) angeordnet ist, wobei der Motor 40 zum Erreichen einer Ritzeldrehzahl von 4.000 U/min fähig ist. Für die Drehzahl des Motors 30 gilt: Ritzeldrehzahl/Übersetzungsverhältnis des Zahnradsatzes. Das Übersetzungsverhältnis des Zahnradsatzes ist definiert als Anzahl der Zähne auf dem Zahnradteil/Anzahl der Zähne auf dem Ritzelteil.
Die Spindel 38 ist entlang der Breite der zweiten Seite 26 in N-Richtung auf einem Schlitten 44 angebrachten Führungen 42 bewegbar. Die Bewegung der Spindel 38 in die H-Richtung wird vom Motor 46 über ein direktgekoppeltes Kugelgewinde ausgelöst. Vorzugsweise ist ein Ritzelelement 48 durch eine geeignete Aufspannvorrichtung, die auf dem Gebiet der Erfindung bekannt ist, lösbar an der Spindel 38 angebracht. Die Werkstückspindel 38 ist zudem in die Richtung der Höhe der zweiten Seite 26 in die V-Richtung bewegbar, da der Schlitten 44 über Führungen 50 durch die vom Motor 52 über ein direktgekoppeltes Kugelgewinde bereitgestellte Bewegung in die V-Richtung bewegbar ist. Die G-, H- und V-Richtungen stehen senkrecht zueinander. Aus praktischen Gründen und zu Veranschaulichungszwecken ist die V-Richtung in 1 vertikal dargestellt.
Die Bewegung der ersten Werkzeugspindel 28 in G-Richtung, der zweiten Werkzeugspindel 38 in H-Richtung, des Schlittens 44 in V-Richtung sowie die Drehung der ersten Spindel und die Drehung der zweiten Spindel werden jeweils von einem separaten Antriebsmotor 34, 46, 52, 30 bzw. 40 bereitgestellt. Die obgenannten Komponenten sind zu einer voneinander unabhängigen Bewegung fähig, können sich aber auch gleichzeitig miteinander bewegen. Jeder der Motoren ist mit einer Rückkopplungsvorrichtung, beispielsweise einem Linear- oder Drehkodierer (nicht dargestellt), als Teil eines CNC-Systems verbunden, das den Betrieb der Antriebsmotoren in Übereinstimmung mit den ein einem Computercontroller, wie beispielsweise dem Modell 160i von Fanuc, eingegebenen Befehlen steuert.
Ein Tank zum Halten der Läpppaste ist im Allgemeinen unterhalb des Kammerbereichs angrenzend an die zweite Seite 26 angeordnet, wie durch 56 dargestellt ist. Auf diese Weise kann der Tank innerhalb des äußeren Blechgehäuses angeordnet sein, wodurch die Stellfläche der Maschine so klein wie möglich gehalten wird. Auch kann ein ausgeschnittener Bereich 56 der Säule 22 in einem Bereich der Säule ausgebildet sein, der von den Spindeln entfernt ist, um etwaige notwendige elektrische Transformatoren anzubringen. Mit dieser Anordnung können derartige elektrische Komponenten ebenfalls innerhalb des äußeren Blechgehäuses angeordnet werden und dabei doch ausreichend Abstand zu den Spindeln aufzuweisen, sodass keine von den elektrischen Komponenten ausstrahlende Wärme die Präzision der Spindeln oder andere toleranzempfindliche Elemente negativ beeinträchtigen.
Durch die Direktantriebsspindeln 28, 38 und den Verzicht auf einen Fernantriebsmotor, auf Riemen und Rollen ist die Dynamik des Systems weitgehend eingeschränkt und vereinfacht.
Jedoch sind auch bei Direktantriebsspindeln die dynamischen Zahn-an-Zahn-Kräfte, die durch das gemeinsame Drehen eines Zahnradsatzes erzeugt werden, stark durch Trägheit, Federrate und Dämpfungseigenschaften der beiden Spindeln beeinflusst. Diese drei Charakteristika wirken, gemeinsam mit Reibung und anderen Nebeneffekten, zusammen und bilden das dynamische Gesamtverhalten einer Spindel.
Ein Ziel des Läppens und Testens besteht darin, die Kraft (das Drehmoment) zwischen den sich drehenden Elementen zu steuern. Um die Kraft zu steuern, ist Nachgiebigkeit häufig von Vorteil. Die reziproke Steifigkeit, die Nachgiebigkeit, definiert die Beziehung zwischen Position und Kraft. Beispielsweise kann in einem stark nachgiebigen System die Position mit nur geringem Einfluss auf die Kraft deutlich verändert werden, während in einem stark unnachgiebigen System, eine kleine Positionsveränderung zu einer großen Kraftveränderung führen kann.
Die vorliegende Erfindung setzt die Nachgiebigkeit als Mittel zur Steuerung der Kraft ein. Nachgiebigkeit wird in einer Drehrichtung an einer oder beiden Spindeln verwirklicht. Vorzugsweise wird die Nachgiebigkeit an der Zahnradspindel (beispielsweise 28 in 1 oder 2) verwirklicht.
3 veranschaulicht eine Spindel 60 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Spindel 60 umfasst zwei Abschnitte, eine hintere Spindel 62 und eine vordere Spindel 64, die jeweils um dieselbe Achse A_S drehbar sind. Es sollte angemerkt werden, dass die Bezeichnungen "hinten" und "vorne" relative Ausdrücke sind, die gewählt wurden, um die relative Positionsbeziehung der Komponenten der Spindel 60 zueinander zu beschreiben und nicht auf eine bestimmte Ausrichtung der Spindel 60 hinweisen. Die Spindel 60 kann in jeder beliebigen Position ausgerichtet sein und ist nicht auf die in 3 veranschaulichte, im Allgemeinen horizontale Ausrichtung eingeschränkt.
Die hintere Spindel 62 umfasst einen Direktantriebsmotor (nicht dargestellt), und ein zu läppendes Zahnrad wird in eine geeignete Aufspannvorrichtung (nicht dargestellt) eingespannt, die an der vorderen Spindel 64 angeschraubt ist. Die vordere Spindel 64 dreht sich relativ zur hinteren Spindel 62 auf Lagern 66. Die hintere Spindel 62 und die vordere Spindel 64 sind über eine oder mehrere Federelemente 68 (nur eines ist dargestellt), wobei drei bevorzugt sind, miteinander verbunden. Optional kann ein Dämpfungselement 70 zwischen der hinteren Spindel 62 und der vorderen Spindel 64 angeordnet sein. Ist die hintere Spindel 62 stationär gehalten, so wäre die vordere Spindel 64 gemeinsam mit einem Werkstück (innerhalb der durch die Federelemente gesetzten Grenzen) frei drehbar, und würde bei einer Drehung relativ zur hinteren Spindel 62 die physikalischen Kräfte des Federelements 68 und eines jeden der in der Spindel 60 eingebauten Dämpfungselemente 70 erfahren. Das Federelement 68 erzeugt eine gegenläufig zur Drehverschiebung wirkende Kraft und ist eine Funktion dieser.
Die 4 und 5 stellen eine vergrößerte Ansicht des Federelements 68 bzw. der Positionierungsschraube 80 dar. Das Federelement 68 ist ein einseitig eingespanntes Element und umfasst ein erstes Ende 72, das in der hinteren Spindel 62 anordenbar ist, einen Stababschnitt 69 und ein im Allgemeinen zylindrisches zweites Ende 74 mit einer Öffnung 76, vorzugsweise einer Gewindeöffnung, zum Anbringen der Positionierungsschraube 80. Das erste Ende oder die Spitze 72 kann, auch wenn sie in der bevorzugten Ausführungsform als Kugel dargestellt ist, jede beliebige, zum Einführen in die hintere Spindel 62 geeignete Form aufweisen. Die hintere Spindel 62 weist ein Loch 72 zum Aufnehmen des kugelförmigen ersten Endes 72 auf.
Die Positionierungsschraube 80 umfasst ein erstes Ende 82, das vorzugsweise mit einem Gewinde versehen ist, um durch Verschraubung in der Öffnung 76 am Federelement 68 befestigt zu werden. Die Positionierungsschraube 80 umfasst weiters ein zweites Ende 84 mit äußeren Gewinden und eine Antriebsbuchse 86. Sind das Federelement 68 und die Positionierungsschraube 80 aneinander befestigt, so wird die Anordnung durch eine Gewindeöffnung 65 (3) in der Stirnfläche der vorderen Spindel 64 eingeführt. Die Anordnung wird mithilfe eines Steckschlüssels in der Antriebsbuchse 86 vorgeschoben, um das erste Ende 72 in der hinteren Spindel 62 auszurichten und so das Federelement 68 axial in einer Position zu fixieren, um der relativen Drehbewegung zwischen der hinteren Spindel 62 und der vorderen Spindel 64 entgegenzuwirken. Alternativ dazu können das Federelement 68 und die Positionierungsschraube 80 einstückig ausgebildet sein.
Das zweite Ende 74 des Federelements 68 ist (durch die Positionierungsschraube 80) als Ausleger an der vorderen Spindel 64 angebracht. Die kugelförmige Spitze 72 ist vorzugsweise einstÜckig mit der Feder 68 in selbiger maschinell ausgearbeitet. Die Kugelform der Spitze 72 passt genau in das Loch 71 der hinteren Spindel 62. Bei der Durchbiegung der Feder kontaktieren nur die kugelförmigen Abschnitte der Spitze 72 das Loch 71, während sich der Winkel und der Abstand der Federspitze im Loch 71 ändert. So kommt es zu einer einfachen Belastung des Stabes mit nur geringer Reibung und geringem Spiel. Der Stab 69 mit kreisförmigem Querschnitt ermöglicht es dem Federelement 68, unabhängig von seiner Drehstellung, die sich durch das Einschrauben durch die Öffnung 65 ergibt, immer gleich zu funktionieren.
Der Durchmesser des Stabes 69 im Querschnitt ändert sich entlang seiner Länge, um eine größtmögliche Federdurchbiegung zuzulassen und entlang seiner Länge eine gleichmäßige Biegespannung zu erzeugen, wie auf dem Gebiet der Federkonstruktion bekannt ist. Verschiedene Federraten können erzielt werden, indem Stäbe mit unterschiedlichen Längen und/oder Querschnitten hergestellt werden. Die Durchbiegung der Federn ist durch Anschlagmittel auf den Spindeln mechanisch begrenzt, wobei diese Anschlagmittel vorzugsweise in der Form eines festen mechanischen Anschlags vorliegen, um die Durchbiegung der Feder über die Dauerfestigkeitsgrenze hinaus zu verhindern.
Die Trägheit aller sich mit der vorderen Spindel 64 drehenden Teile stellt eine Kraft bereit, die mit der auf der vorderen Spindel wirkenden Beschleunigung linear ist und dieser entgegenwirkt. Die Dynamik der vorderen Spindel 64 relativ zur hinteren Spindel 62 wird dann primär zu einer Funktion der Trägheit der vorderen Spindel (der vorderen Spindel, der Aufspannvorrichtung und der Werkstücks, d.h. eines Zahnrads), des Federelements und des Dämpfungselements. Für die Feder- und Dämpfungselemente müssen Werte gewählt werden, die zur Trägheit passen, um das dynamische Verhaften des Zahnrads zu steuern.
Die hintere Spindel 62 umfasst einen servogesteuerten Direktantriebsmotor (nicht dargestellt). Die Dynamik der hinteren Spindel 62 ist durch eine servogesteuerte Algorithmuseingabe in den Maschinencontroller geregelt, um für eine geeignete elektronische Dämpfung Steifigkeit zu sorgen.
Die Ritzelspindel (Antriebsspindel) umfasst ebenfalls vorzugsweise einen servogesteuerten Direktantriebsmotor. Das Ritzel wird in die Aufspannvorrichtung, die an der Spindel angeschraubt ist, eingespannt. All diese Elemente drehen sich gemeinsam als Einheit. Ein servogesteuerter Algorithmus wird verwendet, um für eine geeignete elektronische Dämpfung Steifigkeit zu sorgen.
Im Vergleich zu Läpp- oder Testmaschinen nach dem Stand der Technik verwendet die Spindel 60 (üblicherweise die Zahnradspindel) den Spindelmotor nicht in einem Drehmomentsteuerungsmodus und setzt keine mechanische Bremse zur Erzeugung einer Belastung ein. Stattdessen wird die Drehung der Spindel 62 in einer zeitlich mit der Drehung der Ritzelspindel abgestimmten Beziehung auf der Grundlage des Verhältnisses der Anzahl der Zähne der Teile, die in der Maschine betrieben werden, gesperrt. Das Ziel der Servosteuerung der hinteren Spindel 62 besteht somit in der Steuerung der Position der hinteren Spindel 62 und nicht des an diese angelegten Drehmoments.
Ein Vorteil der Verwendung von physikalischen Federelementen anstelle einer Elektromotor-Drehmomentsteuerung besteht darin, dass die Gesetze der Physik, die die Arbeit dieser einfachen Vorrichtungen bestimmen, ohne digitales Quantisierungsrauschen oder Frequenzeinschränkungen der computernumerischen Steuerung (CNC) gültig sind. Die mit jedem wirklichen Zahnradsatz in Zusammenhang stehenden Bewegungsübertragungsfehler führen zu kleinen dynamischen Veränderungen in der Durchbiegung des Federelements und dämpfen, falls eingesetzt, die Durchbiegung. Da im Unterschied zu unnachgiebigen Spindeln diese Durchbiegungen vom Federelement und jedem anderen nachgiebigen Element absorbiert werden, wirken sich die Bewegungsübertragungsfehler weit geringer auf das Servosteuerungsvorgang aus.
Zudem kann das physikalische dynamische Verhalten dieser mechanischen Elemente im Läppverfahren vorteilhaft genutzt werden. Indem zugelassen wird, dass ein Bewegungsübertragungsfehler des Zahnradsatzes die Feder dynamisch durchbiegt, bleibt das Drehmoment nicht exakt konstant am Nennwert, sondern steigt, im Falle der Feder, mit größerer Durchbiegung an und nimmt mit geringerer Durchbiegung ab. Dieser Effekt kann zur Verbesserung der Bewegungsübertragungsfehler des Zahnradsatzes (beispielsweise nicht maßhaltiges Zahnrad oder nicht maßhaltiges Ritzel) eingesetzt werden, indem die hohen Stellen mit mehr Kraft als die niedrigen Stellen geläppt werden.
Eine passende Wahl der Feder-, Dämpfungs- und Trägheitseigenschaften der vorderen Spindel kann für die gewünschte Reaktion auf Bewegungsübertragungsfehler sorgen. Falls ein Ritzel Bewegungsübertragungsfehler an das Zahnrad weitergibt, kann das Zahnrad primär wie eine träge Masse, primär wie eine Feder, primär wie ein Dämpfungsglied oder wie eine Kombination aus einigen oder allen dieser, entsprechend der hinlänglich bekannten dynamischen Analyse eines Systems zweiter Ordnung, wirken. Die Art der Reaktion ist zudem eine Funktion des Frequenzanteils des Bewegungsübertragungsfehlers.
In einem solchen System zweiter Ordnung wirken die vordere Spindel und das Zahnrad als Trägheit, wenn die Anregungsfrequenz (der wirkende Bewegungsübertragungsfehler) ausreichend hoch ist. Ist die Frequenz ausreichend niedrig, so agieren sie wie eine Feder. Wie und bei welchen Frequenzen diese von einem niedrigfrequenten federartigen Verhalten zu einem hochfrequenten trägen Verhalten übergehen, wird durch die Auswahl der Feder-, der Dämpfungs- und der Trägheitswerte bestimmt.
Die Trägheitsreaktion auf einen periodischen Bewegungsfehler sollte im Läppvorgang im Allgemeinen vermieden werden, da die Kraft zum wirkenden Übertragungsfehler um 180° phasenverschoben ist. Die Federreaktion ist im Allgemeinen gut, da die Kraft direkt phasengleich mit der Anregung ist. Mit anderen Worten wird bei einer Trägheitsreaktion eine hohe Stelle mit weniger Kraft und eine niedrige Stelle mit mehr Kraft geläppt. Somit wird die hohe Stelle durch das Läppen nicht entfernt, sondern kann sogar noch stärker ausgebildet werden. Andererseits aber wird bei der federähnlichen Reaktion die hohe Stelle mit mehr Kraft und die niedrige Stelle mit weniger Kraft geläppt, sodass das Läppen das Ausmaß des Bewegungsfehlers verringern kann.
Die durch die Zahnradsatzbewegungen induzierten Kraftänderungen sind über dem gewünschten mittleren Kraftniveau gelagert. Die durchschnittliche Kraft zwischen den Zahnradelementen auf der Maschine wird dann durch die Steuerung der Verschiebung der physikalischen nachgiebigen Elemente, die zwischen der hinteren Spindel 62 und der vorderen Spindel 64 angeordnet sind, geregelt. Zusätzlich zur Steuerung der Position der hinteren Spindel 62 in Kombination mit oder in Abhängigkeit von der Ritzelspindelposition kann eine zusätzliche Bewegung der hinteren Spindel 64 bewirkt werden, während die Teile im Eingriff sind, um die relative Verschiebung, die Geschwindigkeit und die Beschleunigung der vorderen Spindel 64 relativ zur hinteren Spindel 62 zu steuern. Dadurch, dass das dynamische Verhalten der einzelnen Feder- und Dämpfungselemente bekannt ist, können die Verschiebungsbahnen, die die gewünschte Kraft zwischen den Zahnradsatzeiementen erzeugen, bestimmt werden.
Das Federelement 68 stellt eine Kraft bereit, die der Drehverschiebung entgegenwirkt und eine Funktion dieser ist. Das Federelement kann auch andere Formen als die durch 68 veranschaulichten annehmen und beispielsweise durch Zug- oder Kompressionsschraubenfedern zwischen den sich drehenden Elementen bestehen oder durch die direkte Torsion von Zylindern oder Hülsen oder durch die direkte Torsion von Schraubenfedern umgesetzt werden. Alternativ dazu können die Federelemente auch in der Achse der Aufspannvorrichtung oder in anderen Zusatzteilen der Spindel untergebracht sein. Das Federelement 68 stellt eine lineare Federrate, niedrige Reibung und geringe Hysterese bereit. Die Spindel 60 ermöglicht den Austausch des Federelements 68 von der Stirnfläche der Spindel aus, ohne dafür die Spindel auseinander nehmen zu müssen. Somit kann je nach spezifischem Läpp- oder Testauftrag ein schwächeres oder steiferes Federelement gewählt werden.
Das optionale Dämpfungselement 70 stellt eine Kraft bereit, die der Geschwindigkeit der vorderen Spindel 64 relativ zur hinteren Spindel 62 entgegenwirkt und eine Funktion dieser ist. Das Dämpfungselement 70 kann beispielsweise in Form eines Hydraulikmechanismus, eines Fluidscher- oder Elastomerelements vorliegen. Elastomerelemente sind hier bevorzugt. Durch Ändern der Maße und des Materials kann die Dämpfungsrate den Anforderungen an das Verfahren entsprechend angepasst werden.
Wie oben erwähnt, kann eine beliebige Anzahl an Federelementen 68 in die erfindungsgemäße Spindel eingesetzt werden, wobei drei bevorzugt sind. Vorzugsweise weist jedes Federelement einen Stab 69 (mit einer Länge von etwa 4 Zoll (101,60 mm)) mit kreisförmigem Querschnitt auf, der parallel zur Spindelachse ausgerichtet und gleichmäßig beabstandet auf einer kreisförmigen Struktur mit einem Querschnitt von 3,75 Zoll (95,25 mm) angeordnet ist, sodass die auf die vordere Spindel 64 relativ zur hinteren Spindel 62 wirkende Drehung jede Feder veranlasst, sich als einzelner Stab durchzubiegen. Die Federelemente können aus einem beliebigen geeigneten Material hergestellt sein, wobei der für Federanwendungen bekannte wärmebehandelte legierte Chrom-Vanadium-Stahl bevorzugt ist. Ein einzelnes Federelement erzeugt eine Translationsfederrate von etwa 185 Pfund pro Zoll (lbs/in), während drei solcher Federelemente in einer Spindel zusammen eine Drehfederrate von etwa 25 Zoll-Pfund pro Grad (in-lbs/°) ergeben.
Früher bestand das Ziel darin, ein Drehmoment zwischen den Zahnradsatzelementen bereitzustellen, indem das an eine Spindel, üblicherweise die Zahnradelementspindel, angelegte Drehmoment geregelt wird. Dieses angelegte Drehmoment kann aus einer mechanischen Bremse, einem Hydraulikmotor, einer elektronischen Motorsteuerung oder anderen Mitteln herrühren. Das Ziel dieser Verfahren bestand in der Aufrechterhaltung eines gewünschten Drehmoments, unabhängig von der Position der Zahnradelementspindel oder der auf sie von der Ritzelspindel (durch den Eingriff der Zähne) übertragenen Geschwindigkeit.
Obwohl die Spindel auch unter solch oben erörterten, bekannten Drehmomentsteuerungsmitteln betrieben werden kann, kann sie auch unter dem Steuerverfahren der Erfindung arbeiten, dessen Ziel es ist, die Position der Zahnradelementspindel und nicht das auf sie wirkende Drehmoment zu steuern. Bei diesem Verfahren wird die Zahnradelementspindelposition relativ zur Ritzelspindelposition mithilfe einer CNC-Steuerung eingestellt. Eine Möglichkeit ist der Betrieb einer Spindel in Abhängigkeit zur anderen Spindel, wie dies etwa durch ein elektronisches Getriebe (EGB) umgesetzt wird. Eine andere Möglichkeit ist die unabhängige, aber befehlskoordinierte Steuerung beider Spindeln.
Ein Ziel der Erfindung ist das Aufrechterhalten der Positionen der Zahnrad- und Ritzelspindel in Bezug auf das Verhältnis der Zähne der angebrachten Elemente des Zahnradsatzes. Wird das Ritzelelement mit einer gewissen Geschwindigkeit gedreht, so sorgt die CNC-Steuerung für die Aufrechterhaltung der Koordinierung des Zahnradelements mit dem Ritzel (ihrem Verhältnis entsprechend). Diese Positionsbeziehung kann auch als die "koordinierte Position" bezeichnet werden. zudem kann die Zahnradelementspindel auf Befehl hin auch andere Drehkomponenten einsetzen, die für das Vor- oder Nacheilen der Zahnraddrehung im Verhältnis zum Ritzel sorgen. Diese zusätzlichen Komponenten können auch als "Wickelbefehle" bezeichnet werden.
Als Beispiel werden drei so wie oben beschrieben angeordnete Federelemente in der Spindel einer Läppmaschine von dem im US-Patent Nr. 6.120.355 beschriebenen Typ zum Läppen eines Hypoidzahnradsatzes für automotive Anwendungen, der ein Ritzelement mit 41 Zähnen und ein Zahnradelement mit 11 Zähnen umfasst, eingesetzt. Das Zahnradelement wird an der erfindungsgemäßen Spindel angebracht. Ein Läpp-Drehmoment von 50 Zoll-Pfund wird gewählt. Sind das Zahnrad und das Ritzel im Eingriff und die Ritzelspindel und die hintere Zahnradspindel durch die CNC-Steuerung in einer Umdrehungsbeziehung von 11 × 41 (auf der Grundlage des Zähneverhältnisses von 41:11) gehalten, so werden die Spindeln auf eine Läppgeschwindigkeit von 3.000 Ritzel-U/min beschleunigt. Die Federstäbe werden nicht durchgebogen, weshalb nur ein sehr geringes Drehmoment zwischen den Zahnradpaar elementen angelegt wird. Nun wird der hinteren Zahnradspindel eine zusätzliche Drehung von 2 Grad befohlen. Da sich die vordere Zahnradspindel (durch die physische Einschränkung aufgrund des Eingriffs mit dem Ritzel) nicht drehen kann, werden die Federelemente um diese 2 Grad durchgebogen, die zum gewünschten Drehmoment des Zahnradsatzes von 50 Zoll-Pfund führen. Da die V-, H- und G-Achse jeweils kleine Läppbewegungen erfahren, wird der Zahnradelementspindel der Befehl zur Ausführung zusätzlicher Kompensationsbewegungen erteilt, um die gewünschte Federdurchbiegung aufrechtzuerhalten.
Die Ritzelelementspindel und die Zahnradelementspindel weisen jeweils einen Drehkodierer zum Messen ihrer Position auf. Da diese Encoder nicht direkt auf dem Zahnrad- und Ritzelelement angebracht sind, beseht eine gewisse mechanische Dreh-Nachgiebigkeit zwischen den Encodern und den ihnen entsprechenden Zahnradsatzelementen. Eine Quelle der Nachgiebigkeit sind die Zähne des Zanradsatzes selbst, die sich unter Belastung biegen. Werden nun Wickelbewegungen befohlen, wenn sich die Zahnradsatzelemente im Eingriff befinden, so ist es deshalb möglich, dass die Wickel-Spindelpositionen, so wie sie von den Drehkodierern gemessen werden, zwar noch immer erreichbar sind, jedoch zur Ausübung der Nachgiebigkeit eine gewisses Motordrehmoment notwendig ist. Ein Teil dieses Drehmoments ist dann zwischen den zu läppenden oder zu testenden Zahnradsatzelementen spürbar.
Diese Nachgiebigkeitswirkung kann eingesetzt werden, um das gewünschte mittlere Zahnradsatzdrehmoment während des Läppens zu erzielen. Die Größe der Wickelbewegungen kann auf dem Wissen über die Nachgiebigkeit des Systems basieren. Die inhärente Nachgiebigkeit der Zähne des Zahnradsatzes, der Achsen, anderer eingebauter Vorrichtungen sowie der Spindeln selbst kann verwendet werden, wenn sehr kleine Wickelbewegungen erwünscht sind. Zusätzliche Nachgiebigkeit ist in einer oder mehreren der Spindeln für größere Wickelbewegungen miteingeplant.
Der Vorteil des Steuerns der Position der Spindeln und nicht des an diese angelegten Drehmoments liegt darin, dass so der mittlere Zahnradkraftwert und nicht der momentane Wert gesteuert wird. Der momentane Wert variiert schließlich nach oben und nach unten, wenn hohe und niedrige Stellen an den Zahnflanken durch den Punkt des Eingriffs gedreht werden. So kann die Qualität des Läppverfahrens verbessert werden, da die hohen Stellen mit größerer Kraft als die niedrigen Stellen geläppt werden, was dazu beiträgt, sie zu verkleinern. Die älteren Drehmomentsteuerungsverfahren versuchten, das Drehmoment unabhängig von hohen oder niedrigen Stellen aufrechtzuerhalten.
Kein Dämpfungselement, falls es durch eine tatsächliche Dämpfungsreaktion gekennzeichnet ist, trägt zum Drehmoment bei, solange das Ausmaß der Durchbiegung konstant ist oder sich langsam verändert.
Obwohl die vorliegende Erfindung in Bezug auf eine Läppmaschine erörtert und veranschaulicht wurde, können die Spindel und das Steuerverfahren der Erfindung auch in einer Testmaschine für Zylinder-, Kegel- und Hypoidräder oder in anderen Arten von Fertigbearbeitungsmaschinen, wie etwa Schleif-, Schab- und Honmaschinen, eingebaut sein. In einer Testmaschine sind die Zahnflanken eines Elements des Paars, üblicherweise des Zahnradelements, mit einer Markierungsverbindung beschichtet, woraufhin das Paar unter leichter Last laufen gelassen wird. Die Markierungsverbindung wird an den Flächen der Zahnradzahnflanken abgetragen, die mit den Zahnflächen am passenden Ritzelelement in Kontakt geraten, wodurch ein Tragbild oder ein "Fußabdruck" auf den Zahnflanken des Zahnrads sichtbar wird. Position und Länge des Tragbilds können nun analysiert werden.
Die vorliegende Erfindung fasst auch die Verwendung von Federn mit keinem kreisrunden Querschnitt ins Auge. Beispielsweise können flache oder elliptische Federn verwendet werden. Beim Einbau von nicht-runden Federn ist jedoch Vorsicht geboten, da sie in der korrekten Ausrichtung positioniert werden müssen, um sich ohne nachhaltige Beschädigung durchbiegen zu können.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, so versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die Einzelheiten dieser eingeschränkt ist.

Claims

Maschine zum Prüfen oder Läppen von Zahnrädern, umfassend eine erste Spindel (60), die um eine erste Achse (A_S) drehbar ist, und eine zweite Spindel, die um eine zweite Achse drehbar ist, wobei zumindest eine aus der ersten und der zweiten Spindel einen hinteren Spindelabschnitt (62) und einen vorderen Spindelabschnitt (64) umfasst; wobei die Maschine zudem ein CNC-System umfasst, das zur Steuerung der Drehung der ersten und der zweiten Spindel angepasst ist, sodass die jeweiligen Geschwindigkeiten der ersten und der zweiten Spindel während des Betriebs der Maschine auf dem Verhältnis der Anzahl der Zähne eines ersten Zahnradsatzelements, das an der ersten Spindel angebracht ist, und der Anzahl der Zähne eines zweiten Zahnradsatzelements, das in das erste Zahnradsatzelement eingreift und an der zweiten Spindel angebracht ist, basiert; worin die Drehstellung von zumindest einer aus der ersten und der zweiten Spindel während des Betriebs der Maschine veränderbar ist, um das erste oder das zweite Zahnradsatzelement relativ zum anderen voreilen oder nacheilen zu lassen; dadurch gekennzeichnet, dass: sich ein oder mehrere Federelemente (68) zwischen dem hinteren Spindelabschnitt und dem vorderen Spindelabschnitt erstrecken, wobei der hintere Spindelabschnitt und der vordere Spindelabschnitt um die jeweilige Spindelachse relativ zueinander drehbar sind und die Federelemente der Relativdrehung entgegenwirken; und das CNC-System weiters angepasst ist, um die Drehstellungsänderung von zumindest einer aus der ersten und der zweiten Spindel zu befehlen, sodass sich das erste oder das zweite Zahnradsatzelement relativ zum anderen um ein vorbestimmtes Ausmaß vor- oder nacheilt; wobei die Drehstellungsänderung die Durchbiegung der Federelemente bewirkt, wodurch ein gewünschtes Ausmaß an Drehmoment zwischen dem ersten und dem zweiten Zahnradsatzelement erzeugt wird.
Maschine nach Anspruch 1, worin die zumindest eine aus der ersten und zweiten Spindel drei Federelemente umfasst.
Maschine nach Anspruch 1, worin die zumindest eine aus der ersten und zweiten Spindel zumindest ein Dämpfungselement (70) umfasst.
Maschine nach Anspruch 3, worin das zumindest eine Dämpfungselement zwischen dem vorderen Spindelabschnitt und dem hinteren Spindelabschnitt angeordnet ist.
Maschine nach Anspruch 1, worin das Federelement einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Maschine nach Anspruch 1, worin das Federelement einseitig eingespannt an einem aus dem vorderen Spindelabschnitt und dem hinteren Spindelabschnitt angebracht ist.
Maschine nach Anspruch 1, worin das Federelement entlang seiner Länge unterschiedliche Durchmesser aufweist.
Maschine nach Anspruch 1, worin zumindest einer aus dem vorderen Spindelabschnitt und dem hinteren Spindelabschnitt ein Anschlagmittel zur Einschränkung der Durchbiegung des Federelements umfasst, wodurch das Federelement seine Dauerfestigkeit nicht überschreitet.
Maschine nach Anspruch 1, worin der hintere Spindelabschnitt einen Direktantriebsmotor umfasst.
Maschine nach Anspruch 1, worin das Federelement ein erstes Ende und ein zweites Ende umfasst, wobei das erste Ende die Form einer Kugel aufweist.
Maschine nach Anspruch 10, worin die Kugel in ein Bohrloch, das in einem aus dem vorderen Spindelabschnitt und dem hinteren Spindelabschnitt ausgebildet ist, einführbar und in diesem bewegbar ist.
Verfahren zur Erzeugung eines Ausmaßes an Drehmoment zwischen dem ersten und dem zweiten Element eines Zahnradsatzes auf einer Werkzeugmaschine, wobei jedes Element eine jeweilige Anzahl an Zähnen aufweist und das Verfahren Folgendes umfasst: das Anbringen des ersten Elements auf eine erste Maschinenspindel (60), wobei die erste Maschinenspindel einen hinteren Spindelabschnitt (62) und einen vorderen Spindelabschnitt (64) umfasst, wobei der vordere Spindelabschnitt und der hintere Spindelabschnitt jeweils um eine gemeinsame Achse (A_S) relativ zueinander drehbar sind, wobei ein oder mehrere Federelemente (68), die sich zwischen dem hinteren Spindelabschnitt und dem vorderen Spindelabschnitt erstrecken, der relativen Drehung entgegenwirken, das Anbringen des zweiten Elements auf einer zweiten Maschinenspindel, das In-Eingriff-Bringen des ersten und des zweiten Elements, wodurch die erste und die zweite Spindel relativ zueinander in eine Drehstellung gebracht werden, das Drehen der ersten und der zweiten Spindel mit jeweiligen Geschwindigkeiten auf der Basis des Verhältnisses der jeweiligen Anzahl an Zähnen der Zahnradsatzelemente, und das Ändern der Drehstellung von zumindest einer aus der ersten und der zweiten Spindel während der Drehung, um eines aus dem ersten und dem zweiten Element relativ zum anderen um ein vorbestimmtes Ausmaß vor- oder nacheilen zu lassen, wobei diese Änderung die Durchbiegung des einen oder der mehreren Federelemente bewirkt, wodurch ein gewünschtes Ausmaß an Drehmoment zwischen dem ersten und dem zweiten Zahnradsatzelement erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, worin das erste Element einen Zahnkranz und das zweite Element ein Ritzel umfasst.