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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine mechanische Vorrichtung zur
Reparatur von Zahnrädern und
im Besonderen eine mechanische Vorrichtung zur Wiederherstellung
der Verzahnung eines großen Zahnrads
aus Stahl oder Gusseisen vor Ort und ohne zuvor erfolgte Demontage
desselben.
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In
vielen technischen Bereichen werden Maschinen und Vorrichtungen
mit Zahnrädern
verwendet, deren Verzahnung sich verschlechtern kann und zwar in
einem Maße,
in dem der Betrieb der Maschine beeinträchtigt ist und der Betrieb
der Maschine unterbrochen werden kann, was selbst im Falle von Metallverzahnungen
geschieht, die gegenüber
Abnutzungserscheinungen eine gute Widerstandskraft aufweisen. Es
ist somit manchmal notwendig, die abgenutzten oder beschädigten Zahnräder auszuwechseln,
im Allgemeinen wird jedoch eine Reparatur derselben bevorzugt, um,
vor allem im Falle von großen Zahnrädern und
von Antriebs-Zahnkränzen
aus Stahl oder aus Gusseisen, deren Lebensdauer zu verlängern und
die Rentabilität
der Maschine zu verbessern. Für
die Reparaturen vor Ort ist jedoch im Allgemeinen die Demontage
des Zahnrads oder des Zahnkranzes nötig, was eine Unterbrechung
des Betriebs der Maschine, während
der für
die Demontage, die Wiederherstellung und den anschließenden Wiedereinbau
notwendigen Zeit des zur reparierenden Elements, zur Folge hat.
Aufgrund des Stillstands der Maschinen entstehen dadurch große Zeitverluste, welche
die Rentabilität
der betroffenen Maschinen erheblich verringern.
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Auf
dem Gebiet der Technik sind Maschinen zur Wiederherstellung oder
zur Reparatur von Zahnrädern
bekannt, für
die herkömmlichen
Maschinen ist jedoch die Demontage des Zahnrads erforderlich. Andere
einfache Vorrichtungen sind vorhanden, etwa um das manuelle Schleifen
zu ermöglichen,
aber sie sind jedoch auf punktuelle Reparaturen beschränkt und
können
nicht effizient eingesetzt werden, wenn hohe Präzision benötigt wird und wiederholt identische
Arbeitsvorgänge
auf mehreren Zähnen
durchzuführen
sind. Das Patent US-5.161.291 beschreibt eine die oben erwähnten Nachteile
nicht aufweisende, anpassbare Vorrichtung, welche sich an den Rotor
oder den Stator eines elektrischen Generators mithilfe von Elektromagneten
anpasst, um die Reparatur der verschiedenen Zähne der Zahnräder sicherzustellen.
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Ein
weiteres Beispiel für
eine Maschine zur Wiederherstellung von Zahnrädern vor Ort, umfassend ein
in zwei Richtungen bewegliche und Werkzeuge tragende Platte, ist
im US-Patent Nr. 5.233.744 beschrieben. Diese Vorrichtungen sind
jedoch sehr komplex und die Justierung ihrer Positionierung ist
schwierig.
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Daher
ist wünschenswert,
ein Verfahren und ein angemessenes Werkzeug zur Verfügung zu
haben, welche die Verringerung der Stillstandszeit der mechanischen
Maschinen während
der Reparatur der Zahnräder
und gleichzeitig die Sicherstellung einer angemessenen Reparaturqualität ermöglichen.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens
zur Reparatur von Zahnrädern
vor Ort, insbesondere im Falle von Zahnrädern mit großen Zähnen, welches
eine gute Reparaturqualität
sicherstellt.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung einer Vorrichtung
zur Durchführung
von Zahnradreparaturen vor Ort unter guten Effizienzbedingungen.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist außerdem die Bereitstellung einer
Reparaturvorrichtung vor Ort für
Zähne von
Zahnrädern,
welche eine ausgezeichnete Präzisions-
und Wiederholbarkeitsqualität
aufweist.
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Das
Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung besteht darin, eine mechanische, zur Wiederherstellung
der Zähne
eines Zahnrades geeignete Vorrichtung in einer isostatischen Position
durch Kombination der Auflage-, der Referenz- und der Arretierungspunkte
der mechanischen Vorrichtung auf dem Zahnrad anzuordnen und diese
Punkte zur Sicherstellung der Wiederherstellung der zu reparierenden
Zähne zu
verwenden.
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Das
Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Aufstützen auf mindestens zwei Auflagepunkte auf
dem Kopf eines Zahns, der sich vor dem zu reparierenden Zahn befindet,
und Aufstützen
auf mindestens einen Auflagepunkt auf einen nach dem zu reparierenden
Zahn befindlichen Zahn oder, umgekehrt, Aufstützen auf zwei Auflage punkte
auf der Flanke und Aufstützen
auf einen Auflagepunkt auf der Seite eines Zahns, der sich vor dem
zu reparierenden Zahn befindet, um die Vorrichtung mit zumindest
drei Arretierungspunkten zu arretieren, wobei sich zwei davon unterhalb
des Zahns vor dem zu reparierendem Zahn befinden und einer unterhalb
eines angrenzend angeordneten Zahns befindlich ist, und um das Profil
eines benachbart zum zu reparierenden Zahn angeordneten Zahns und/oder
ein theoretisches Profil als Referenz zum Führen eines Schneidwerkzeugs
und zum Wiederherstellen der Gestalt des beschädigten Zahns zu verwenden und
den zu reparierenden Zahn wiederherzustellen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform umfasst
das Verfahren der Erfindung die folgenden Schritte: Aufstützen auf
mindestens drei Auflagepunkte auf dem Kopf zumindest eines, sich
vor dem zu reparierenden Zahn befindlichen Zahns, Aufstützen auf
mindestens einen Auflagepunkt auf der Seite eines Zahns, der sich
vor dem zu reparierenden Zahn befindet, und Aufstützen auf
zumindest zwei Auflagepunkte auf der Flanke eines Referenzzahns,
sowie das Arretieren der Vorrichtung mit mindestens fünf Arretierungspunkten,
die den Auflagepunkten gegenüberliegend
angeordnet sind, und das Verwenden des Profils des Referenzzahns
und/oder des in Form einer Schablone zur Verfügung stehenden theoretischen
Profils zum Führen
eines Schneidwerkzeugs und zum Wiederherstellen der Gestalt des
zu reparierenden Zahns.
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Die
Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst ein ausrichtbares Schneidwerkzeug, welches entlang
verschiedener Achsen verschoben werden kann und Auflagemittel sowie
Arretierungsmittel zum Aufstützen
auf das Zahnrad umfasst, die derart platziert werden können, dass
zumindest zwei Auflagemittel auf dem Kopf eines Zahns, welcher sich
vor dem zu reparierenden Zahn befindet, anordenbar sind, und dass
zumindest ein Auflagemittel auf dem Kopf eines anderen, sich vor
dem reparaturbedürftigen
Zahn befindlichen Zahns angeordnet wird, und dass die Arretierungsmittel
der Vorrichtung beweglich und unterhalb der Verzahnung, in gerader Linie
zu den Auflagemitteln, angebracht sind, zumindest zwei Auflagemittel
auf dem Profil eines, sich vor oder nach dem reparaturbedürftigen
Zahn befindlichen Zahns angeordnet werden und ein Auflagemittel
auf der Seite eines Zahns, der sich vor dem zu reparierenden Zahn
befindet, angeordnet wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform umfasst
die Vorrichtung der Erfindung ein ausrichtbares Schneidwerkzeug,
welches entlang verschiedener Achsen verschoben werden kann, umfassend Auflagemittel
sowie Arretierungsmittel auf dem Zahnrad, die derart platziert werden
können,
dass zumindest drei Auflagemittel auf dem Kopf zumindest eines Zahns,
welcher sich vor dem zu reparierenden Zahn befindet, positioniert
werden, zumindest ein Auflagemittel auf der Seite eines vor dem
reparaturbedürftigen
Zahn befindlichen Zahns angebracht wird und zumindest zwei Auflagemittel
auf der Flanke eines Referenzzahns befestigt werden und auch die
beweglichen Arretierungsmittel unterhalb der Verzahnung und auf
der Seite der Verzahnung, in gerader Linie zu den verschiedenen
Auflagemitteln, positioniert werden.
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Die
Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ermöglicht nicht nur die Sicherstellung
einer hohen Präzisionsqualität der Wiederherstellung
sowie einer perfekten Gleichmäßigkeit
entlang der gesamten Breite des Zahns, sondern auch eine angemessene Wiederholbarkeit,
welche das Einhalten von Abständen
(Basisabständen
oder anderer) der Verzahnung und gleichzeitig ökonomisch wettbewerbsfähiger Zeitperioden
sicherstellt.
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Die
Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist vor allem für
die Wiederherstellungen von Zähnen
bei großen
Zahnrädern
geeignet. Unter großen
Zahnrädern
werden Zahnräder
verstanden, die im Allgemeinen einen Durchmesser von etwa mehr als
2 m und bevorzugterweise von mehr als 3 m aufweisen. Die Vorrichtung
ermöglicht
außerdem
die Reparatur eines teilweise oder gänzlich gebrochenen Zahns unter
guten Bedingungen, indem dieser zuerst durch den Wiederherstellungsvorgang
entfernt wird, dann durch Schweißen wieder erstellt wird und
in Übereinstimmung
mit dem Originalprofil des erstellten Zahns wiederhergestellt wird,
wobei dieser jedoch entsprechend der Abnutzung der anderen Zähne des
Zahnrads ausgebildet wird. Somit wird nicht nur die Reparatur einer
schlechten oder gebrochenen Verzahnung des Zahnrads möglich, sondern auch
die Erzielung eines Zahns mit ei nem an die Abnutzung der anderen
Zähne des
Zahnrads angepassten Profils nach der Reparatur, wodurch die allgemeine
Kohärenz
der Verzahnung erhalten bleibt und die Gleichmäßigkeit des Zahnradbetriebs
erleichtert wird.
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Die
Vorrichtung der Erfindung ermöglicht
außerdem
die Korrektur der während
des Arbeitsablaufs verwendeten Profile, welche durch die Wiederherstellung
der gesamten Verzahnung bearbeitet wurden, um das Originalprofil
unter Einhaltung der Basisabstände
des Zahnrads wieder zu finden, damit die Verzahnung, mit oder ohne
Schweißen,
wieder hergestellt werden kann. Die bekannten Phänomene des Pitting und des
Abblätterns
oder die Markierungen aufgrund von Festfressen können durch die Wiederherstellung
der gesamten Verzahnung unter den gleichen Bedingungen verhindert
werden. Demgemäß kann eine
Wiederherstellung der gesamten Verzahnung eine unfallsbedingte Beschädigung des Grundabstands
des Zahnrads ausgleichen.
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Die
Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung ermöglicht
ferner die Entfernung von Deformationen an Zahnfüßen (Vorsprüngen) durch Wiederherstellung
eines funktionellen Biegeradius an Verzahnungsfüßen (Stumpfverbindungen) oder
die Modifizierung der Fasen am Kopf der Verzahnung oder ferner die
Durchführung
der Ein- und Ausgänge der
Verzahnung in Abhängigkeit
von bestimmten Bedingungen.
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Solche
Reparaturabläufe
oder Korrekturprozesse für
Verzahnungen können
auf verschiedenen Zahnkränzen
aus Stahl oder Gusseisen durchgeführt werden, welche durch mechanisches
Schweißen oder
Gießen
hergestellt werden. Die durch das Verfahren der Erfindung zu reparierenden
oder wiederherzustellenden Zähne
sind im Allgemeinen aus Stahl oder Gusseisen und weisen eine Brinellhärte zwischen
ungefähr
120 HB und 400 HB auf. Im Falle der Zahnkorrektur kann die Härte 60 Rockwell
(HCR) erreichen.
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Die
Vorrichtung der Erfindung ist vor allem auf die Wiederherstellung
von geradverzahnten Zahnkränzen
mit einem Durchmesser von mehr als etwa 3 m ausgerichtet und das
Zahnmodul beträgt zwischen
10 und 50. Die Breite der Zähne
ist indifferent, aber sie beträgt
bevorzugterweise zwischen 300 und 1000 mm.
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Die
Charakteristika und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand
von den nachstehend und unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
detailliert beschriebenen Ausführungsformen verständlich,
in denen:
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1:
eine schematische Ansicht (Vorderansicht, Draufsicht und Seitenansicht)
einer Einheit, umfassend die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung
ist.
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2:
eine schematische, dreidimensionale Ansicht von links der Auflage-
und Spannpunkte der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung auf den
Zähnen
des Zahnrads darstellt.
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3:
eine schematische, dreidimensionale Ansicht von rechts von 2,
als Ergänzung
derselben, ist.
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Wie
in 1 zu sehen, umfasst die die Vorrichtung der vorliegenden
Erfindung beinhaltende Einheit vier zugehörige Module, wie untenstehend
erläutert.
Diese Einheit kann beispielsweise eine zur Reparatur des Zahns eines
Zahnrads, dessen Zahnkranz 4 m Durchmesser und 300 mm breite Zähne aufweist,
vorgesehene Wiederherstellungsvorrichtung umfassen.
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Das
Modul (A) besteht aus einer Führung, die
auf der zu reparierenden Verzahnung des Zahnrads, wie weiter unten
erläutert,
befestigt wird. Der Lauf dieser Führung kann beispielsweise 1200
mm sein. Auf dieser Führung
kann ein zweites Modul (B), bestehend aus einer zur ersten Führung senkrechten Führung, gleiten,
wobei das Gleiten durch einen Getriebemotor mit einem elektrischen
Geschwindigkeitswandler eines herkömmlichen Typs (nicht dargestellt)
gesteuert werden kann. Auf dieser Führung (B) kann das Modul (C)
entlang einer zur Führung
(A) senkrechten Richtung gleiten, wobei die Verschiebungssteuerung
durch eine digitale, eine Präzision von
0,01 mm sicherstellende Steuerung exakt ausgeführt wird. Das Modul (C) besteht wiederum
aus einer vertikalen Führung,
auf der das Modul (D) gleitet, welches einen Bearbeitungszapfen
trägt.
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Dieser
Bearbeitungszapfen kann nicht nur entlang einer im Wesentlichen
vertikalen Richtung zur Führung
des Moduls (C) gleiten, sondern er ist außerdem entlang der horizontalen
Achse (X) ausrichtbar, damit das Werkzeug (1) (schematisch
dargestellt) in einer geeigneten Weise ausgerichtet wird. Die Positionierung
des Werkzeugs (1) kann ebenfalls der Länge nach mithilfe einer digitalen
Steuerung für die
exakten Einstellungen angepasst werden.
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Der
vom Zapfen (D) getragene Werkzeugsatz wird dann in einer entsprechenden
Weise positioniert, um in Kontakt mit dem zu reparierenden Zahn zu
treten. Dieser Werkzeugsatz ist von einem herkömmlichen Typ und kann ein Schneidwerkzeugsatz aus
Schnelldrehstahl mit oder ohne Metallkarbidbeschichtung aus einem
Stück oder
in Plättchen
sein, wie etwa die im Handel unter den Bezeichnungen SAFETY oder
anderen erhältlichen
Werkzeugsätze, die
einen zylindrischen Fräser
mit Kreuzhieb, mit einem Durchmesser von 20 bis 22 mm, lange Ausführung, mit
4 bis 6 Zähnen
umfassen. Wenn erforderlich, können
diese Werkzeugsätze
dann mithilfe einer Schleifmaschine mit digitaler Steuerung entsprechend
dem theoretischen Profil (einen Kreis bildend) des zu reparierenden
Zahns durch einen Nachschleif-Vorgang angepasst werden.
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1 (Seitenansicht)
zeigt das Profil der vier aufeinanderfolgenden Zähne (3a, 3b, 3c, 3d)
einer Verzahnung des Zahnrads. Diese Anzahl an vier Zähnen kann
je nach Form derselben variieren.
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Die
in 1 schematisch dargestellte Wiederherstellungsvorrichtung
wird beispielsweise auf dem zweiten und vierten Zahn, (3b)
bzw. (3d), entsprechend den in den 1, 2 und 3 abgebildeten
Positionen platziert. Der erste Zahn (3a) ist der Zahn,
dessen Profil (12) durch die Vorrichtung der Erfindung
wiederhergestellt werden muss, während
der Zahn (3b) als Referenzpunkt zur Wiederherstellung des
Profils und zur Einhaltung des Abstands dient.
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Die
Wiederherstellungsvorrichtung wird auf den Kopf der Zähne (3b)
und (3d) an den schematisch durch die Pfeile (5),
(6) bzw. (7) abgebildeten Pfeile angelegt. Die 2 und 3 zeigen
auf schematische Weise die Referenzflanke des Zahns (3b)
und die Positionierung der Auflagepunkte der Wiederherstellungsvorrichtung
auf demselben Zahn. Ein Auflagepunkt befindet sich auf der Seite
des Zahns (3b) an der vom Pfeil (8) angezeigten
Position und zwei Auflagepunkte sind an den durch die Pfeile (9)
und (10) angedeuteten Positionen auf der Flanke desselben
Zahns (3b) in der Nähe
des Zahnkopfes angeordnet.
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Die
Auflagepunkte (5), (6) und (7) ermöglichen
das Abrichten in der Horizontalebene und die Ausrichtung des Moduls
(B) von 1 entlang einer zur Zahnachse
senkrechten Linie (siehe 2 und 3). Der
Auflagepunkt (8) dient als Verschiebungsarretierung der
Wiederherstellungsvorrichtung. Schließlich ermöglichen die Auflagepunkte (9)
und (10) die Erzielung einer zur Referenzflanke (11)
des Zahns (3b) parallelen Ausrichtung, um das Profil (12) des
zu reparierenden Zahns (3a) wiederherzustellen (siehe 2 und 3).
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Diese
Auflagepunkte der Wiederherstellungsvorrichtung auf dem Zahnrad
bestehen aus berichtigten Zwischenscheiben aus gehärtetem Stahl, die,
beispielsweise durch Anschrauben, an der Wiederherstellungsvorrichtung
befestigt sind.
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Die 2 und 3 zeigen
die Arretierungspunkte der Wiederherstellungsvorrichtung in Position
auf den Zähnen
des Zahnrads.
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Die
Arretierungspunkte sind auf der unteren Seite des Radkranzes (13)
an den durch die Pfeile (14, 15) und (16, 17)
angezeigten Positionen angeordnet, die in gerader Line zu den Auflagepunkten (5),
(6) bzw. (7) auf den Zahnköpfen angeordnet sind. Diese
Arretierungspunkte sind entsprechend den Auflagepunkten (5)
und (6) in (14) und (15) bzw. entsprechend
dem Auflagepunkt (7) in (16) und (17)
getrennt, wie in den 2 und 3 abgebildet.
Ein Arretierungspunkt wird auf der Seite des Zahns (3b)
an der durch den Pfeil (18) angezeigten Position in gerader
Linie zum Auflagepunkt (8) auf demselben Zahn (3b)
platziert.
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Sobald
die Wiederherstellungsvorrichtung sich in Position befindet, wird
der Schneidwerkzeugsatz in Gang gesetzt, um das Flankenprofil (12)
des Zahns (3a), wie in den 1, 2 und 3 zu
sehen, wiederherzustellen, Sobald der Arbeitsvorgang beendet ist,
wird dann die Schleifvorrichtung entfernt und entsprechend der zur
Positionierung derselben auf der Ebene des nächsten, zu reparierenden Zahns benötigten Zahnanzahl
verschoben.