DE60303694T2

DE60303694T2 - Tribologische Testvorrichtung

Info

Publication number: DE60303694T2
Application number: DE60303694T
Authority: DE
Inventors: Silvio Corrias; Paolo Faraldi; Valter Stabielli
Original assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Current assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Priority date: 2002-02-08
Filing date: 2003-02-07
Publication date: 2006-12-07
Anticipated expiration: 2023-02-08
Also published as: DE60303694D1; EP1335197B1; ITTO20020117A0; ATE319077T1; US20030177840A1; EP1335197A2; ES2257607T3; US6776048B2; ITTO20020117A1; EP1335197A3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine triboligsche Testvorrichtung, und genauer gesagt auf eine Vorrichtung zum Durchführen von Ermüdungstests von Kontaktflächen durch Aussetzen der Oberfläche scheibenförmiger Proben zyklischen hertzischen Belastungen, das heißt zyklischen Kontaktdruck.
Wie bekannt, untersucht Tribologie die Wechselwirkung und insbesondere Reibungs-, Verschleiß- und Schmierungsphänomene von Oberflächen von sich kontaktierenden Körpern unter Krafteinwirkung und bei relativer Bewegung. In der Tribologie gibt es insbesondere die Notwendigkeit, die Lebenszeit von Maschinenteilen festzustellen, welche Wälzkontaktverschleiß, ausgelöst durch zyklische mechanische Belastungen einer Oberfläche in Wälzkontakt mit mindestens einem anderen Körper, ausgesetzt sind; diese Belastung wiederholt über eine Zeit, ruft Ermüdungsbeschädigungsphänomene hervor, welche sich durch das Entfernen von Materialfragmenten der einbezogenen Oberfläche zeigen. Wälzkontaktverschleiß ist einer der Hauptfaktoren, der verantwortlich für Defekte von Bauteilen, wie Wälzlager, Getriebe und Zahnkranzkupplungen ist und ist äußerst schwierig in den anfänglichen Stadien festzustellen, da die anfängliche Ermüdung (insbesondere im Fall von oberflächengehärteten Komponenten) Sprünge unterhalb der äußeren Kontaktoberfläche erzeugt.
Wenn sie weit genug ausgebreitet sind, treten die Sprünge auf der äußeren Kontaktoberfläche hervor und können ein Zersplittern ergeben und somit eine sofortige Beeinträchtigung der Komponenteneffizienz, ausgelöst durch eine drastische Änderung der Bauteilgeometrie.
Der Vorgang, definiert durch zyklische Belastung, welcher Komponentenverschleiß und schließlich, wie oben beschrieben, Fehler ergibt, ist als "Wälzkontaktermüdung" bekannt und die Oberflächenbeschädigung von oben als "Pitting".
Pittingphänomene können in zwei Klassen unterteilt werden: Anfängliches oder Mikropitting, welches vereinbar mit der Funktion der Komponente ist; und zerstörendes oder Makropitting, gekennzeichnet durch die Ausbildung von makroskopischen Beschädigungen.
Um die Lebenszeit von Bauteilen festzustellen, die während des Betriebes Wälzkontaktermüdung ausgesetzt sind, sind Vorrichtungen zum labormäßigen Testen von scheibenförmigen Proben bekannt, die aus demselben Material (beides, das Basismaterial und jegliche Oberflächenbehandlung) wie die Studienkomponente hergestellt sind: Die Proben werden gegenseitig abgerollt und die Anzahl von hertzischen Kontaktdruckzyklen, denen die Probenoberflächen, bis zum Beginn des Makropittingphänomens bei den Proben, ausgesetzt werden, wird aufgezeichnet.
Derartige Vorrichtungen können in zwei Arten unterteilt werden, eine erste dieser Vorrichtungen, die zwei Proben aufweist, die mit variablen unabhängigen Geschwindigkeiten rotieren und mit einer variablen Kraft gegeneinander gedrückt werden. Die Asymmetrie des Systems und die einzige Kontaktregion zwischen den Oberflächen limitiert verständlicherweise die Drücke, die ausgeübt werden können, und verlängert beachtlich die Testzeit. Aus diesem Grund wurde eine zweite Art von Vorrichtung vorgeschlagen, die vier Proben aufweist – eine zentrale und drei äußere – welche in festen Positionen an jeweili gen parallelen wellen befestigt sind, welche um entsprechende Achsen rotieren. Die äußeren Proben sind 120° voneinander beabstandet angebracht und in Kontakt mit der zentralen Probe und werden radial und gleichzeitig gegen die zentrale Probe gedrückt, während sie gedreht werden. Die äußeren Proben sind an relativ langen Übertragungswellen angebracht und stehen von diesen ab, wobei die Biegeelastizität dieser den äußeren Proben ermöglicht, wenn sie einem radialen Druck ausgesetzt werden, radial in einem relativ geringen Bereich (um ein Zehntel eines Millimeters) zu schwingen und so Druck auf die zentrale Probe auszuüben, während sie gegenseitig abrollen. So werden drei hertzische Kontaktdruckzyklen auf die zentrale Probe bei jeder Umdrehung ausgeübt.
Radialer Druck wird auf die äußeren Proben unter der Verwendung von unter Druck stehendem Öl ausgeübt, welches ebenso zur Schmierung vorgesehen ist und in eine radiale Lücke zwischen jeder äußeren Probe und einem im Wesentlichen C-förmigen Körper eingeführt wird, der benachbart zu der Kontaktfläche der randlichen Probe auf der gegenüberliegenden Seite von der zentralen Probe aus gesehen, angebracht ist.
Das Vorhandensein des Pittingphänomens wird durch Verwenden eines Beschleunigungssensors, der an der zentralen Probenwelle angebracht ist, festgestellt, und die ermittelten Wertes dieses Sensors werden verwendet, um das Integral des Energiespektrums zu berechnen, das heißt die Energie in Verbindung mit den Harmonischen der Hauptfrequenz der welle. Wenn die berechnete Energie einen vorgegebenen Grenzwert (experimentell bestimmt) überschreitet, welcher den Beginn des Pittingphänomens anzeigt, wird das Testen gestoppt, um zu vermeiden, dass die Vorrichtung gefährlichen Vibrationen ausgesetzt wird, die durch Oberflächenschäden und Veränderung der Geometrie der Probe verursacht werden. Wie offensichtlich, ist die Gesamtan zahl an Belastungszyklen, die die zentrale Probe aushält (dreimal die der äußeren Proben) der signifikante Wert, mit dem Tests und Qualität des Probenmaterials verglichen werden sollen.
Die obigen bekannten Vorrichtungen sind durch die Verwendung von Öl unbefriedigend, welches notwendigerweise für hydraulische Systeme geeignet sein muss, um die Kontaktkraft der äußeren auf die zentrale Probe auszuüben, und können aus diesem Grund nicht für tribologische Tests verwendet werden, bei denen jedes beliebige Schmiermittel und insbesondere die im Betrieb tatsächlich verwendeten Schmiermittel der mechanischen Teile, welche getestet werden, verwendet wird.
Des Weiteren sind bekannte Vorrichtungen der oben beschriebenen Art extrem komplex und somit teuer herzustellen und zusammenzubauen. Das heißt, da die Proben und die C-förmigen Körper extrem genau hergestellt und positioniert werden müssen, um sicherzustellen, dass die relativen Ölspalten alle dieselbe Größe haben und so gleichmäßig wie möglich während des Testens sind und so sicherstellen, dass der Ölfluss, welcher direkt auf die äußeren Proben einwirkt, perfekt eingestellte Drücke in den perfekten radialen Richtungen, in Bezug auf die zentrale Probe, ausübt.
Ist einmal die Geometrie der Vorrichtung festgelegt, können die Proben normalerweise nicht durch andere mit unterschiedlicher Form und/oder Größe ersetzt werden, was ebenso bedeuten würde, die C-förmigen Körper und die Lagerung der Wellen zu ersetzen, um sie an die Größe und Form der neuen, äußeren Proben anzupassen.
Wenn des Weiteren die äußeren Proben durch das unter Druck stehende Öl Druck ausgesetzt werden, biegen sich die Übertra gungswellen elastisch in Richtung der zentralen Probe, während sie rotieren und werden so kombinierter Ermüdungsbelastung durch Rotation und Biegung ausgesetzt, was dazu führt, dass sich ihre Einsatzzeit verringert.
Bekannte Vorrichtungen der oben beschriebenen Art können normalerweise nicht einfach verwendet werden, um Oberflächenverschleiß der Proben festzustellen, aufgrund der extrem kleinen maximalen Bewegungsstrecke der äußeren Proben zu und von der zentralen Probe, so dass, wenn der Verschleiß die maximale Bewegungsstrecke übersteigt, die äußeren Proben nicht mehr in Kontakt mit der zentralen Probe gebracht werden können.
Um schließlich den Moment zu bestimmen, der den Beginn des Pittingphänomens kennzeichnet, ist eine komplexe, kostenintensive Berechnungs- und Steuereinrichtung notwendig, um das Testen sofort anzuhalten, wenn das Pittingphänomen auftritt.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine tribologische Testvorrichtung anzugeben, die ausgelegt ist, eine einfache und kostengünstige Lösung zu den Nachteilen der zuvor genannten Vorrichtungen zu bieten.
Erfindungsgemäß ist eine tribologische Testvorrichtung vorgesehen, mit:

– einer Grundstruktur;
– einer zentralen Welle, die sich entlang einer ersten Achse erstreckt, die mit der Grundstruktur um die erste Achse rotierbar verbunden ist und die eine zentrale Probe trägt;
– mindestens drei äußeren Wellen, die sich entlang entsprechender zweiter Achsen erstrecken, welche den gleichen Abstand zu der ersten Achse haben, die mit der Grundstruktur verbunden ist, so dass jede um die entsprechende zweite Achse rotierbar ist und die entsprechende äußere Probe tragen, welche der zentralen Probe radial zugewandt sind;
– Druckmittel zum Ausüben einer Kraft auf jede äußere Probe in Richtung der zentralen Probe; und
– relativ bewegliche Mittel, welche den äußeren Wellen zugeordnet sind, um es jeder äußeren Probe zu ermöglichen, während der Verwendung sich radial in Richtung der zentralen Probe zu bewegen und einen Kontaktdruck auf die zentrale Probe durch die Wirkung der Kraft auszuüben;

Die relativ beweglichen Mittel weisen bevorzugt für jede äußere Welle, Führ- und Gleitmittel auf, die es ermöglichen, die äußere Probe zwischen einer radialen Kontaktposition, in der sie radial die zentrale Probe berührt und einer radialen, losgelösten Position, in der sie radial von der zentralen Probe losgelöst ist, zu verschieben; wobei Übertragungsmittel vorgesehen sind, um jede äußere Welle unabhängig von ihrer Verschiebung zu rotieren.
Eine nicht-beschränkende Ausführungsform der Erfindung wird exemplarisch mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 einen Querschnitt einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen tribologischen Testvorrichtung zeigt;
2 eine perspektivische schematische Ansicht eines Bereiches oder Moduls der Vorrichtung aus 1 zeigt;
3 ähnlich zu 1 ist und eine vergrößerte Ansicht, mit zur Verdeutlichung entfernten Bauteilen des Moduls aus 2 zeigt;
4 ähnlich zu 3 ist und ein vergrößertes Detail dieser zeigt;
5 eine teilweise perspektivische Explosionsansicht eines Teils der 4 zeigt.
Bezugszeichen 1 in 1 bezeichnet eine tribologische Testvorrichtung mit einer im Wesentlichen zylindrischen Grundstruktur 2, die sich vertikal entlang einer entsprechenden Achse 3 erstreckt.
Die Struktur 2 weist vier Module 5, 6, 7, 8 auf, die axial aufeinander gestapelt sind und wiederum entsprechende Platten 9, 10, 11, 12 aufweisen, welche rechtwinklig zu der Achse 3 sind und entsprechende zylindrische Boxen 13, 14, 15, 16, welche fluiddicht an den entsprechenden Platten 9, 10, 11, 12 durch Dichtungsbauteile 17 angebracht sind. Die Platte 9 stellt eine Basis dar, die ausgelegt ist, um auf einer Testbank (nicht gezeigt) zu stehen und darauf zu passen, und hat im Wesentlichen denselben Außendurchmesser wie das obere Modul 8, um der Vorrichtung 1 Stabilität zu verleihen. Die Platten 10, 11, 12 unterteilen die entsprechenden Module 6, 7, 8 axial von den entsprechenden Modulen 5, 6, 7 darunter, während das Modul 8 oben durch einen Deckel oder eine Platte 18, der/die fluiddicht auf der Box 16 angebracht ist, geschlossen ist.
Die axialen Enden der Boxen 13, 14, 15, 16 weisen Flansche 19 auf, die integral und lösbar mit den Platten 9, 10, 11, 12, 18 bevorzugt durch Mittel aus Schrauben und Passstiften (nicht gezeigt), verbunden sind und die Platten 9, 10, 11, 12, 18 weisen Augbolzen 20 zum Anheben der Platten 9, 10, 11, 12, 18 und der Module 5, 6, 7, 8 auf.
Wie in 1 gezeigt, ist eine zentrale Welle 21 in Struktur 2 untergebracht, die sich entlang der Achse 3 erstreckt und die vier axial auf einer Linie miteinander ausgerichtete Teile 22, 23, 24, 25 aufweist, die miteinander in Winkel fixierender, axial lösbarer Art, beispielsweise durch Mittel aus Zahn-Kupplungen 26 (nicht im Detail gezeigt) verbunden sind. Die Teile 22, 23, 24, 25 sind an den entsprechenden Modulen 5, 6, 7, 8 angebracht und in fluiddichter Art und in fixierten Positionen mit den Platten 9, 10, 11, 12, 18 um die Achse 3 rotierbar verbunden.
Die Welle 21 wird durch eine Eingangswelle 28 gedreht, welche sich in fluiddichter Art durch die Box 13 entlang einer horizontalen Achse 29, welche rechtwinklig zu der Achse 3 ist, erstreckt und in einer fixierten Position an dem Modul 5 rotierbar um die Achse 29 angebracht ist.
Die Welle 28 hat zwei gegensätzliche Enden 30, 31; das Ende 30 ist mit der Welle 21 durch ein Kegelradgetriebe 32 verbunden; und das Ende 31 ist integral in einer Kupplung 33 eingepasst, zur Anbindung an einen Antriebsmotor (nicht gezeigt), der bei der Benutzung gesteuert wird, um die Welle 21 mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit belastungsunabhängig zu rotieren.
Die Welle 21 überträgt die Rotation in Modul 6 an drei Wellen 35 (wobei nur zwei in 1 gezeigt sind), die sich entlang entsprechender Achsen 36 parallel und mit winkelmäßig gleichem Abstand zu Achse 3 erstrecken. Die Wellen 35 sind fluiddicht und in fixierten Positionen mit den Platten 10, 11 rotierbar um die Achsen 36 verbunden, und weisen entsprechende Endbereiche 37 auf, die in das Innere des Moduls 7 hineinstehen und durch einen Gewindezug 38 rotiert werden, der ein zylindrisches Zahnrad 39 aufweist, welches integral an dem Bereich 23 der Welle 21 angebracht ist, und drei zylindrische Zahnräder 40, welche integral an den jeweiligen Wellen 35 angebracht sind und in das Zahnrad 39 eingreifen. Das Zahnrad 39 und die drei Zahnräder 40 können beliebig kombiniert werden, um Rotation in beliebigen Geschwindigkeitsverhältnissen zu übertragen.
Unter Bezugnahme auf 4, dreht in Modul 8, der Teil 25 der Welle 21 eine zentrale Probe 41, die durch eine Scheibe dargestellt ist, welche koaxial an dem Teil 25 angebracht ist. Die Probe 41 ist an dem Teil 25 durch eine Kupplungseinrichtung 42 angebracht, welche eine Nut 43 aufweist, die in der Probe 41 ausgebildet und rechtwinklig zur Achse 3 ist; eine Rippe 44, die sich aufwärts von einer axialen Schulter 45 des Teils 25 erstreckt, um in die Nut 43 in Winkel fixierender Position einzugreifen, und eine Ringmutter und Unterlegscheibeneinrichtung 46, welche die Probe 41 axial auf der Schulter 45 und in die Rippe 44 eingreifend halten.
Die Probe 41 hat eine seitliche Oberfläche 49, die radial die seitlichen Oberflächen 50 der drei äußeren Proben 51 kontaktiert, welche scheibenförmig sind und alle dieselbe Größe haben, und welche jede an einer entsprechenden Welle 52 mit einer Kupplungseinrichtung 53 angebracht ist, wobei die Bauteile, die gleich zu denen der Einrichtung 42 sind, mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet sind.
Wie in den 2 bis 4 gezeigt, erstrecken sich die Wellen 52 entlang den entsprechenden Achsen 54 parallel zur Achse 3 und sind an der Platte 12 winkelmäßig im gleichen Abstand um die Achse 3 durch entsprechende Führungs- und Gleiteinrichtungen 56 befestigt, welche Wälzkörper aufweisen, um Reibungsphänomene zu reduzieren und wovon jede eine entsprechende gerade radiale Führung 57 aufweist, welche integral an der Platte 12, bevorzugt mit Schrauben befestigt ist und einen entsprechenden Schlitten 59, der zwei tragende Körper 60, 61 aufweist.
Besonders in Bezug auf 4 nehmen die Körper 60, 61 jedes Schlittens 59 teilweise, relativ die Probe 51 auf und sind integral und lösbar miteinander, bevorzugt durch Schrauben und Passstifte verbunden, und tragen die Welle 52 durch Mittel von entsprechenden identischen Wälzlagern 62, 63, die in achsensymmetrischen Positionen in Bezug auf eine Ebene P rechtwinklig zur Achse 54 angebracht sind. Genauer gesagt, ist das Lager 63 an dem Ende der Welle 52 unter Verwendung einer Hülse 64 angebracht, um ein wiederholtes Zusammen- und Auseinanderbauen ohne Gefährden der Geometrie der Kupplung zu ermöglichen.
Der Körper 60 ist an der Führung 57 angebracht, um der Probe 51 zu ermöglichen, sich in einer radialen Richtung A rechtwinklig zu den Achsen 3, 36 zwischen einer ersten Position, in welcher die Oberflächen 49, 50 in Kontakt miteinander in einer Region, deren Mittelpunkt B in der Ebene P liegt, stehen, und einer zweiten Position, in der die Oberflächen 49, 50 voneinander gelöst mit einer maximalen Strecke von ungefähr 7 Millimeter sind, zu verschieben.
Im Fall einer Fehlfunktion der Vorrichtung 1 und/oder des Nichtvorhandenseins oder des Verschlechterns der Proben 41, 51, wird die Bewegung des Schlittens 59 in Richtung des Zentrums durch eine Stoppeinrichtung 65 angehalten, welche mit den beiden Körpern 60, 61 zusammenwirkt, um übermäßige Biegekräfte auf den Schlitten 59 zu verhindern, und die eine erste Schulter (nicht gezeigt) aufweist, welche integral mit der Platte 12 ist, und eine zweite Schulter, die durch eine Hülse 66 dargestellt wird, welche integral mit der Platte 18 und koaxial mit der Welle 21 verbunden ist. Die Hülse 66 unterstützt das Ende der Welle 21 mittels eines entsprechenden Wälzlagers 67, welches an dem Ende der Welle 21 unter Verwendung einer Hülse 68 angebracht ist.
Die Wellen 52 enden unterhalb des Körpers 60 mit entsprechenden Teilen 69, wovon sich jedes lose durch ein entsprechendes Loch 70 durch die Platte 12 erstreckt. Eine fluiddichte Dichtung zwischen jedem Bereich 69 und der Platte 12 wird durch einen entsprechenden Ring 71 sichergestellt, welcher an der Welle 52 angebracht ist, innerhalb des Moduls 8 aufgenommen ist und in fluiddichter Art an der Welle 52 und der Platte 12 durch die Verwendung von entsprechenden ringförmigen Dichtungsbauteilen 72, 73 angebracht ist. Der Ring 71 ist axial zwischen der Platte 12 und zwei Führungsbauteilen 74 angeordnet, welche genau gegenüber einander in Bezug auf den Ring 71 angeordnet sind, die an der Platte 12 bevorzugt durch Schrauben (nicht gezeigt) befestigt sind, die es dem Ring 71 ermöglicht, sich in Richtung A zu verschieben und zur selben Zeit das Bauteil (O-Ring) 73 axial zwischen der Platte 12 und dem Ring 71 gepresst gehalten. Genauer gesagt, sind die Bauteile 74 in gleitender Weise an entsprechenden flachen Bereichen 75, die auf den äußeren seitlichen Oberflächen des Rings 71 ausgebildet sind, angebracht, um zu verhindern, dass der Ring 71 um die Achse 54 rotiert.
Wie in 1 und 4 gezeigt, werden die Wellen 52 durch die Welle 35 mittels Mittel aus entsprechenden Universalübertrager 76, die in dem Modul 7 aufgenommen sind, unabhängig von ihrer Position entlang der Führungen 57, rotiert. Jeder Übertrager 76 weist zwei Universalgelenke 77 auf, welche integral mit einem Bereich 37 und einen Bereich 69 entsprechend, insbesondere durch Mittel aus Splintkupplungen 78 (im Detail nicht gezeigt) verbunden sind und die winkelmäßig integral miteinander durch eine zwischengeschaltete Verzahnungskupplung 79 (im Detail nicht gezeigt) sind, welche teleskopisch ist und es den Gelenken 77 erlaubt, sich abhängig von der radialen Position des Schlittens 59 zu teilen.
Unter Bezugnahme auf die 2 und 3 weist die Vorrichtung 1 ebenso für jeden Schlitten 59 einen entsprechenden, bevorzugt pneumatischen, einzeln agierenden Membranaktuator 80 auf, der integral mit der Box 16 verbunden ist, und zum Bewegen einer Stange 81 entlang einer Achse 82, welche in einer Ebene P und rechtwinklig zu den Achsen 3, 54 liegt, dient. Die Stangen 81 sind in dem Modul 8 aufgenommen und enden axial mit entsprechenden Bereichen 83, welche in Wechselwirkung in Kontakt mit den Schlitten 59 sind und hemisphärisch sind, so dass der Druck oder die Kraft F, die von jedem Aktuator 80 erzeugt wird, an einem Punkt C angewendet wird. Die Aktuatoren 80 werden parallel von einer Zuführungsleitung 85 im geschlossenen Kreislauf versorgt, um die Kräfte F auf alle drei Aktuatoren 80 auszubalancieren.
Bei tatsächlicher Verwendung bewegt jede Kraft F den Schlitten 59 relativ in Richtung A entlang der Führung 57 und presst so die Oberfläche 50 radial gegen die Oberfläche 49. Wie schematisch in 3 gezeigt ist, greift eine Kraft, welche gleich groß der Kraft F ist und in Linie mit der Achse 82 ausgerichtet ist, am Mittelpunkt B des Kontaktes zwischen den Oberflächen 49, 50 an, aufgrund der symmetrischen Position der Lager 62, 63, der bestimmten Orientierung der Achse 82 und somit aufgrund der Position des Punktes C, an dem die Kraft F angewendet wird.
Die Kraft F und die Gegenkraft F' der Probe 41 sind daher in Linie ausgerichtet und gegensätzlich, so dass keine Biegebeanspruchung auf die Welle 52, die Probe 51 oder die Einrichtung 56 erzeugt wird.
Während des Testes werden die Proben 41, 51, abgesehen vom Betrieb der Aktuatoren 80 um die Schlitten 59 radial zu drücken, durch den Gewindezug 38 rotiert, so dass die Oberflächen 49, 50 in Kontakt miteinander abrollen und zyklischen hertzischen Belastungen ausgesetzt sind, um Wälzkontaktermüdung zu erzeugen. Zusätzlich zum Abrollen zwischen den Oberflächen 49, 50 kann auch eine schleifende Bewegung durch geeignetes Auswählen der Durchmesser der Proben 41, 51 und des Geschwindigkeitsverhältnisses des Gewindezuges 38, das heißt die Durchmesser der Zahnräder 39, 40 festgelegt werden, um unterschiedliche lineare Oberflächengeschwindigkeiten der Oberflächen 49, 50 zu erhalten.
So wird die Oberfläche 49 drei Belastungszyklen pro Umdrehung um die Achse 3 ausgesetzt und während des weiteren Tests zeigt diese als Erste, sichtbare makroskopische Beschädigungsphänomene auf Oberflächenniveau, welche normalerweise als Pitting bezeichnet werden.
Um den Beginn des Pittingphänomens festzustellen, ist ein parasitärer Stromnäherungssensor 90 (schematisch gezeigt) an einem Träger 91 angebracht, wobei der Sensor gegenüber der Oberfläche 49 liegt und radial losgelöst von der Probe 41 ist, um seinen eigenen Abstand D von der Oberfläche 49 (3) durch Errechnen des Durchschnitts von Werten, die über einem größenmäßig vorgegebenen Bereich aufgezeichnet wurde, zu bestimmen. Genauer gesagt, ist der Träger 91 integral an der Platte 12, bevorzugt durch Schrauben, befestigt und relativ steif, um zu verhindern, dass sich der Sensor 90 während des Tests bewegt oder vibriert.
Der Wert, der laufend durch den Sensor 90 aufgenommen wird, wird direkt mit einem Grenzwertbereich verglichen, welcher, wenn er überschritten wird, den Beginn des Pittingphänomens anzeigt. Beim Vorhandensein des Pittingphänomens tendiert die Oberfläche 49 in der Tat dazu, auffällige Unebenheiten zu zeigen, welche den durchschnittlichem Abstand vom Sensor 90 verändern, so dass, wenn der Sensor 90 einen unnormalen Spitzenwert feststellt, der Test gestoppt wird und die Anzahl von Belastungszyklen, denen die Probe 41 bis zu diesem Zeitpunkt ausgesetzt wurde, festgestellt wird.
Die mechanischen Komponenten in den Modulen 5, 6 werden durch eine vorgegebene Menge Öl in den Boxen 13, 14 tauchgeschmiert; die Gelenke 77 in dem Modul 7 werden gefettet; in dem Modul 8 werden die Proben 41, 51 in einem Ölbad geschmiert, die Box 16 weist Löcher (nicht gezeigt) auf, um Wärmeaustauscher zum Kühlen oder Erhitzen von Schmiermittel einzubauen, und es kann ein Thermoelement eingebaut werden, um die Schmiermitteltemperatur während des Testens zu überprüfen.
In einer nicht gezeigten Variante sind Füllkörper zwischen den Schlitten 59 in Modul 8 vorgesehen, um die Menge an Öl, die zum Schmieren im Modul 8 benötigt wird, zu reduzieren.
Da das Öl in Modul 8 lediglich zur Schmierung vorgesehen ist, und es aus einer weiten Bandbreite ausgewählt werden kann, kann die Vorrichtung 1 verschiedene Tests desselben Probenmaterials 41, 51 mit verschiedenen Schmiermitteln zum Vergleich ausführen.
Nach jedem Test müssen die Proben 41, 51 ausgewechselt werden, zuerst durch Abnehmen der Platte 18 von der Box 16 und der Körper 61 von den Schlitten 59 und anschließendem Entfernen der Vorrichtung 46 von den Wellen 21, 52 und zum Ersetzen axialen Abziehens der Proben 41, 51 von den Wellen 21, 52. Die Vorrichtung 46 muss gewechselt werden, wohingegen die Lager 63, 67 gegen Beschädigung während des Auseinanderbaus durch Hülsen 64, 68 geschützt sind, so dass sie nicht ausgewechselt werden müssen.
Die Proben 51 werden somit radial gegen die Probe 41 durch entsprechende bewegbare Stäbe 81 gedrückt, wenn sie hydraulischem Druck, wie in bekannten Lösungen, ausgesetzt werden, demnach dient das Öl in Modul 8, lediglich der Schmierung und kann im Wesentlichen beliebig ausgewählt werden. Die tatsächlichen, im Betrieb der mechanischen Komponenten verwendeten Schmiermittel können somit getestet werden und Wälzkontaktermüdungstests können auch ausgeführt werden, um verschiedene Schmiermittel unter Verwendung desselben Probenmaterials 41, 51 zu testen.
Das Modul 8 ist relativ einfach und kostengünstig zusammen- und auseinanderzubauen, durch Stäbe 81, die sich axial von den Schlitten zurückziehen und durch Wellen 52, die durch Schlitten 59 geführt werden, um die Proben 51 von der Probe 41 zurückzuziehen. Das Sicherstellen von ausgeglichenen Kräften F auf die Schlitten 59 ist ebenso relativ einfach durch Anbringen von drei Aktuatoren 80 in den korrekten Positionen in der Box 16.
Durch den durch die beweglichen Stäbe 81 und die Schlitten 59 vorhandenen Platz, können die Proben 41, 51 mit anderen von unterschiedlicher Größe und/oder mit unterschiedlich geformten Oberflächen 49, 50 ausgetauscht werden, beispielsweise um Zylinder/Zylinder, Zylinder/Kugel oder Kugel/Kugel hertzischen Kontakt zu erhalten.
Die Vorrichtung 1 kann ebenso dazu benutzt werden, um einfach den Oberflächenverschleiß während Wälzkontaktermüdungstests festzustellen, aufgrund des relativ beachtlichen maximal radialen Bewegungsweges der Proben 51. Der Verschleiß der Oberflächen 49, 50 während des Testens wird tatsächlich von den Einrichtungen 56 und den Überträgern 76 ausgeglichen.
Des Weiteren werden die Wellen 52 keiner Biegebelastung während der Rotation ausgesetzt, dadurch dass es ihnen durch die Vorrichtungen 56 und die Übertragungen 76, welche die Rotation unabhängig von der Position der Wellen 52 übertragen, erlaubt ist, sich radial zu bewegen. Ebenso werden keine Biegemomente an den Wellen 52 durch die Kräfte F und die Reaktionen F' erzeugt, welche, wie gezeigt, in Linie ausgerichtet sind.
Der Sensor 90 ist relativ einfach zusammenzubauen und bietet eine Messung, die keine komplexe Berechnung benötigt und welche direkt verwendet werden kann, um Pittingphänomene festzustellen und das Testen sofort zu stoppen, um den Beginn von schädlichen Vibrationen vorzubeugen.
Die Kupplung, welche durch die Nut 43 und die Rippe 44 gebildet wird, eliminiert die Notwendigkeit verzahnter Kupplungen, welche aufgrund des relativ geringen Innendurchmessers der Probe 41 relativ schwierig und teuer herzustellen sind.
Schließlich wird die Vorrichtung 1 durch unabhängige Module 5, 6, 7, 8 definiert, was die Struktur 2 leicht zusammensetzbar, auseinandernehmbar und wartbar macht.
Weitere Vorteile der Vorrichtung 1 werden durch die vorhergehende Beschreibung verdeutlicht.
Natürlich können Änderungen an der Vorrichtung 1, wie sie hier beschrieben wurde, durchgeführt werden, ohne jedoch aus dem Schutzbereich der Erfindung zu gelangen.
Insbesondere kann die Vorrichtung 1 eine unterschiedliche Anzahl von Modulen aufweisen; die Schlitten 59 können von anderen beweglichen Bauteilen als Stäben 81 gedrückt werden; und/oder die Bewegung kann von der Welle 28 auf die Wellen 21, 52 in anderer Weise als gezeigt übertragen werden.

Claims

Tribologische Testvorrichtung (1) mit: – einer Grundstruktur (2); – einer zentralen Welle (21), die sich entlang einer ersten Achse (3) erstreckt, die mit der Grundstruktur (2) um die erste Achse (3) rotierbar verbunden ist und die eine zentrale Probe (41) trägt; – mindestens drei äußeren Wellen (52), die sich entlang entsprechender zweiter Achsen (54) erstrecken, welche den gleichen Abstand zu der ersten Achse (3) haben, die mit der Grundstruktur (2) verbunden sind, so dass jede um die entsprechende zweite Achse (54) rotierbar ist und die entsprechende äußere Proben (51) tragen, welche der zentralen Probe (41) radial zugewandt sind; – Druckmittel (80) zum Ausüben eines Druckes (F) auf jede äußere Probe (51) in Richtung der zentralen Probe (41); und – relativ beweglichen Mitteln (56), welche den äußeren Wellen (52) zugeordnet sind, um es jeder äußeren Probe (51) zu ermöglichen, während der Verwendung sich radial in Richtung der zentralen Probe (41) zu bewegen und einen Kontaktdruck auf die zentrale Probe (41) durch die Wirkung der Kraft (F) auszuüben; dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmittel (80) für jede äußere Probe (51) ein bewegbares Druckbauteil (81) zum Ausüben der Kraft (F) entlang einer Druckachse (82) aufweisen, die die erste (3) und die zweite (54) Achse schneidet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die relativ beweglichen Mittel (56), bevorzugt für jede äußere Welle (52), Führ- und Gleitmittel (56) aufweisen, die es ermöglichen, die äußere Probe (51) zwischen einer radialen Kontaktposition, in der sie radial die zentrale Probe (41) berührt und einer radial losgelösten Position in der sie radial von der zentralen Probe (41) losgelöst ist, zu verschieben; wobei Übertragungsmittel (76) vorgesehen sind um jede äußere Wellen (52) unabhängig von ihrer Verschiebung zu rotieren.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Führ- und Gleitmittel (56) eine gerade Führung (57) aufweisen, die an der Grundstruktur (2) angebracht ist, um den äußeren Proben (51) eine Verschiebung in radialer Richtung (A) in Bezug auf die erste Achse (3) zu gestatten.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Führ- und Gleitmittel (56) ein Schlitten (59) aufweisen, der gleitbar an der Führung (57) angebracht ist, um in die radiale Richtung (A) zu gleiten und rotierbar an der äußeren Welle (52) angebracht ist; wobei die Kraft (F) durch die Druckmittel (81) auf die Schlitten (59) aufgebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitten (59) einen ersten und einen zweiten Körper (60, 61) aufweist, die integral und lösbar miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitten (59) an der äußeren Welle (52) mit Mitteln aus zwei Lagern (62) (63) befestigt ist, welche achsen-symmetrisch in Bezug auf eine Symmetrieebene (P), die senkrecht zur zweiten Achse (54) ist, angeordnet sind; wobei der Anwendungspunkt (C) der Kraft (F) auf den jeweiligen Schlitten (59) und der Mittelpunkt (B) der Kontaktregion zwischen den äußeren Proben (51) und der zentralen Probe (41) in der Symmetrieebene (P) liegen.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckachse (82) in der Symmetrieebene (P) liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Stoppmittel (65) aufweist, die an der Grundstruktur (2) befestigt sind, um einen Endpunkt für den Schlitten (59) in Richtung der ersten Achse (3) festzulegen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundstruktur (2) eine Platte (12) aufweist, um die Führungen (57) zu tragen und um eine Reihe von Löchern (70) zu definieren, wobei sich durch jedes der Lö cher eine entsprechende äußere Welle (52) lose erstreckt; wobei fluiddichte Dichtungsmittel (71, 72, 73) zwischen jeder äußeren Welle (52) und der Platte (12) vorgesehen sind, um die entsprechenden Löcher (70) fluiddicht zu versiegeln.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die fluiddichten Dichtungsmittel (71, 72, 73) ein ringförmiges Bauteil (71) aufweisen, welches fluiddicht an der äußeren Welle (52) angebracht ist und axial und in fluiddichter Weise auf der Platte (12) liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung axiale Sicherungs- und Führungsmittel (74, 75) aufweist, die ein radiales Gleiten des ringförmigen Bauteils (71) der Platte (12) ermöglichen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungs- und Gleitmittel (56) Wälzkörper aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsmittel (76) für jede äußere Welle (52) ein entsprechendes doppeltes Universalgelenk (77) aufweisen, welches winkelintegral mit der äußeren Welle (52) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsmittel (76) außerdem für jede äußere Welle (52) eine entsprechende verzahnte Kupplung (79) aufweisen, welche winkelintegral mit dem doppelten Universalgelenk (77) ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmittel (80) für jede äußere Welle (52) einen entsprechenden pneumatischen Aktor (80) aufweisen zum Bewegen eines entsprechenden Druckbauteils (81).
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine pneumatische Leitung (85) zur Versorgung der pneumatischen Aktoren (80) aufweist; wobei die pneumatische Leitung (85) ein geschlossener Kreislauf ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung integral mit der Grundstruktur (2) verbundene Sensormittel (90) aufweist, zum direkten Ermitteln einer Charakteristik (D) bezüglich der lateralen rollenden Oberfläche (49) von mindestens einer (41) der zentralen und äußeren Probe(n).
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensormittel (90) einen Abstandssensor (90) aufweisen zum Feststellen des eigenen Abstandes (D) von der lateralen rollenden Oberfläche (49).
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (90) ein Induzierter-Störstromsensor ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundstruktur (2) eine Anzahl von Modulen (5, 6, 7, 8) aufweist, die integral und lösbar verbunden sind und axial auf einer Linie miteinander ausgerichtet sind und eine Anzahl von parallelen Übertragungswellen (21) (54, 76, 35) aufnehmen um die zentralen Probe (71) und die äußeren Proben (51) zu rotieren; wobei jede Übertragungswellen (21) (54, 76, 35) in eine Anzahl von axialen Teilbereichen (22, 23, 24, 25) (54, 76, 35) unterteilt ist, die miteinander lösbar in winkelfixierenden Positionen verbunden sind und von verschiedenen Modulen getragen werden.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung fluiddichte Dichtungsmittel (17) aufweist zum Separieren der Module (5, 6, 7, 8) in fluiddichter Art und Weise.
Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundstruktur (2) ein erstes Modul (8) aufweist, welches die zentrale Probe (41) und die äußeren Proben (51) aufnimmt und die Druckmittel (80) und die relativ beweglichen Mittel (56) trägt.
Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundstruktur (2) ein zweites Modul (6) aufweist, welches einen ersten Getriebezug (38) aufnimmt, um Rotation von der zentralen Welle (21) zu den äußeren Wellen (52) zu übertragen.
Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundstruktur (2) ein drittes Modul (7) aufweist, welches eine Anzahl von Gelenkwellenübertragern (76) aufnimmt, wovon jeder winkelintegral mit einer entsprechenden äußeren Welle (52) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundstruktur (2) ein viertes Modul (5) aufweist, welches einen zweiten Getriebezug (32) aufnimmt, um Rotation von einer Eingabewelle (28) zu der zentralen welle (21) zu übertragen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch, axiale Positionierungs- und Winkelsicherungsmittel (43, 44) aufweist zum lösbaren Anbringen jeder der zentralen/äußeren Probe (41, 51) an der entsprechenden zentralen/äußeren Welle (21, 52).
Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die axialen Positionierungs- und Winkelsicherungsmittel (43, 44) eine schräg verlaufende Nut (43) und eine schräg verlaufende Rippe (44) aufweisen, welche gegenseitig in axial gleitender, winkelfixierender Weise eingreifen.