WO2018028910A1 - Verzahnungsprüfstand - Google Patents

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WO2018028910A1
WO2018028910A1 PCT/EP2017/067274 EP2017067274W WO2018028910A1 WO 2018028910 A1 WO2018028910 A1 WO 2018028910A1 EP 2017067274 W EP2017067274 W EP 2017067274W WO 2018028910 A1 WO2018028910 A1 WO 2018028910A1
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WO
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tooth
head
flank
sample
gear
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Application number
PCT/EP2017/067274
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English (en)
French (fr)
Inventor
Dirk Leimann
Original Assignee
Zf Friedrichshafen Ag
Zf Wind Power Antwerpen N.V.
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Publication date
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Priority to US16/324,153 priority patent/US20190212228A1/en
Priority to CN201780048958.XA priority patent/CN109564142A/zh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M13/00—Testing of machine parts
    • G01M13/02—Gearings; Transmission mechanisms
    • G01M13/025—Test-benches with rotational drive means and loading means; Load or drive simulation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M13/00—Testing of machine parts
    • G01M13/02—Gearings; Transmission mechanisms
    • G01M13/021—Gearings

Definitions

  • the invention relates to a Zahnahnungsprüfstand according to the preamble of claim 1, a tooth sample according to the preamble of claim 14 and a method according to claim 15.
  • FZG test stands In order to test the load capacity of the toothing of a gear wheel, so-called FZG test stands and pulsator test stands are known from the prior art.
  • FZG test bench In a FZG test bench, the teeth of two gears are brought into engagement and braced against each other. The gears are regularly scaled down models of larger gears. This carries the risk that the results obtained can not be transferred 1: 1 to the larger gears.
  • the tension and thus the simulated load is usually static. It is therefore not possible to test dynamic loads.
  • the invention has for its object to test the load behavior of the toothing of a gear, bypassing the known from the prior art solutions inherent disadvantages. In particular, the validity of the results of the audit should be improved.
  • This object is achieved by a Zahnahnungsprüfstand according to claim 1, a tooth sample according to claim 14 and a method according to claim 15. Preferred developments are contained in the subclaims.
  • the gearing dynamometer comprises a sample receiver, i. means for receiving a sample and a load generator, i. a means for applying a load, in particular a mechanical load.
  • the load generator has at least one head.
  • the sample is a tooth sample. This comprises a tooth, preferably exactly one tooth cut out of the teeth of the toothed wheel.
  • the gear is preferably an internally or externally toothed cylindrical wheel. Its teeth can be designed as a straight toothing, but also as involute toothing.
  • the sample holder is designed according to the invention to receive the sample described, i. suitable to fix.
  • the fixation is such that a load can be applied to a flank of the tooth.
  • the load is a force that manifests itself as pressure in the contact surface.
  • the force can be variable over time.
  • the invention makes it possible to test the teeth of a real gear directly without the production of miniaturized models. Because only a single tooth is tested, it is not necessary to clamp the gear completely in the test stand. This is an advantage, in particular in large gearboxes, such as wind power transmissions. In accordance with real stress situations, variable loads can also be simulated as a function of time.
  • the tooth sample including the tooth and the head are movable relative to one another.
  • the tooth sample can be moved translationally in a first direction and the head can be moved translationally in a second direction.
  • the movements of the tooth sample in the first direction and the head in the second direction take place relative to a stationary structure, such as a housing of the tooth dynamometer.
  • the tooth sample and / or the head are fixed, for example in the stationary structure, that movements are possible only in the first direction or the second direction.
  • the second direction runs antiparallel to a surface normal of a contact surface of the head and the flank. This is equivalent to the fact that the second direction is anti-parallel to a surface normal of the flank, wherein the head rests in the surface normal to the flank.
  • a condition is created via a first force acting on the tooth in the first direction and a second force acting in the second direction on the head to load the flank of the tooth.
  • the tooth sample is preferably clamped symmetrically in the tooth tester. This means that a plane with respect to which the tooth is symmetrical and the direction of movement of the tooth sample, i. the first direction, are aligned parallel to each other. With respect to the gear from which the tooth sample has been separated, the first direction is radial, i. orthogonal to a rotation axis or central axis of the gear.
  • the first force and the second force are applied in preferred developments according to the principle of Actio and Reactio.
  • the head is clamped in a preferred development against the edge.
  • the head passively engages the second force - the reaction.
  • the load generator for this purpose may comprise at least one spring element which is braced against the head.
  • the spring element between the head and a fixed means is braced.
  • the fixed means is a component of the load generator, which may be fixed in the above-mentioned fixed structure.
  • the effective direction of the spring element preferably coincides with the second direction.
  • an actuator for initiating said force is provided.
  • the actor has a further training effect on the tooth sample, i. applies the tooth sample with a force - the Actio.
  • the force applied to the tooth by the actuator extends in the first direction.
  • the effective direction of the actuator preferably coincides with the first direction.
  • the actuator is fixed in the stationary structure and acts on the tooth sample.
  • the actuator moves the tooth sample oscillating in accordance with further education.
  • An oscillating movement is characterized by a repeated reversal of the direction of movement.
  • the oscillating motion of the tooth is in the first direction or opposite thereto.
  • oscillating movement is synonymous with a vibration.
  • the actuator stimulates the tooth sample to a vibration.
  • the actuator of the load generator does not act on the tooth sample but on the head.
  • the effective direction of the actuator coincides with the second direction.
  • the actuator is preferably fixed in the fixed structure. If the actuator acts on the head, the spring element acts accordingly on the tooth sample. In this case, the spring element between the stationary structure and the tooth sample is braced.
  • the effective direction of the spring element preferably coincides with the first direction, ie the spring force applied by the spring element points in the first direction.
  • the head is rotationally symmetrical in a further preferred development.
  • the head may be formed as a cylindrical roller. This results in a linear contact between the head and the flank of the tooth. Accordingly, the head puts a line load on the head.
  • An axis of rotation of the rotatably mounted head can be crossed relative to at least one flank line of the tooth flank. This means that the axis of rotation and the flank line are skewed.
  • the entanglement of the axis of rotation with respect to the flank line is preferably such that the axis of rotation is rotated starting from a parallel course to the flank line around a surface normal of the contact surface of the head and the flank of the tooth.
  • the load generator for simulating multiaxial loading conditions has at least two heads, which rest on the same flank of the tooth and each apply a load to the flank.
  • the first head and the second head are spatially separated from each other and touch the flank of the tooth in spatially separated contact surfaces. Also the of the loads applied to the flanks of the tooth are thus spatially separated from one another.
  • the use of two heads makes it possible to selectively bring about a bending stress of the tooth with one of the heads, while the other - the tooth root nearer head causes a weakening of the surface of the tooth by the pressure stress. Based on this, the fatigue strength of the tooth can be determined both in terms of pressure and bending. Both factors are known as causes of failure.
  • the at least two heads are each movable in a direction which is anti-parallel to a surface normal of a contact surface of the respective head and the flank of the tooth.
  • each of the heads is braced against the flank.
  • spring elements may be provided, which are each braced between the heads and the fixed structure.
  • the heads are rotationally symmetrical or formed as a roller and rotatably supported. In order to simulate specific sliding, the axes of rotation of the two heads can be entangled with respect to at least one flank line of the flank of the tooth.
  • the tooth sample comprises a, preferably exactly one tooth of a toothed wheel and a shaft for fixing in the sample holder of the above-described tooth dynamometer.
  • the shaft can be configured at least partially parallelepiped or cylindrical.
  • a method according to the invention for checking the toothing of a toothed wheel comprises the following steps:
  • the method step of testing comprises a partial step of clamping the tooth into the tooth test bench and a partial step of loading the tooth by means of the tooth test bench.
  • the tooth is clamped in the gear test bench, where it is fixed in the sample holder.
  • the load on the tooth is such that a load is applied to a flank of the tooth by the head or heads of the gear test bench.
  • FIG. 2 shows a toothed test bench with the features of the invention
  • Fig. 7 a test cycle
  • Fig. 1 1 a gear with internal teeth.
  • the gear 101 shown in Figure 1 is clamped between two punches 103 of a conventional Pulsatorprüfstands for the purpose of simulating a dynamic load situation.
  • the punches 103 engage in the toothing of the gear 101 and apply a load.
  • Conventional Pulsatorprüfconstruction have a number of disadvantages, which can be avoided with the Veriereungsprüfstand 201 shown in FIG.
  • a tooth sample to be tested 203 is clamped.
  • the tooth sample 203 is characterized in that it is not a model produced for the purpose of the test but has been extracted from a usable toothed wheel.
  • the tooth sample 203 comprises a shaft 205 and two tooth flanks 207.
  • the tooth 205 is clamped in a sample receptacle 209 with the shaft 205.
  • the sample holder 209 guides the tooth sample 203 in the vertical direction.
  • the shaft 205 has an upwardly open blind bore with an internal thread 21 1. Via the internal thread 21 1, the tooth sample 203 can be connected to an actuator, not shown in FIG. 2, which moves the tooth sample 203 up and down.
  • the toothing test stand 201 has a load generator 213.
  • a rotatably mounted roller 215 of the load generator 213 is in contact with the flank 207.
  • the roller 215 is biased.
  • a force F of the spring 213 acts in the horizontal direction on the roller 215 and presses against the flank 207th
  • a housing 219 encapsulates the components of the gear bench.
  • the housing 219 of the load generator 213 is fixed. Furthermore, the housing 219 forms the sample receptacle 209. Inside the housing 219 is an oil bath 221, in which the flank 207 of the tooth sample 203 and the roller 215 of the load generator 213 are immersed. Oil bath 221 simulates the oil lubrication present in a real gearbox.
  • FIG. A view of the tooth sample 203 from below is shown in FIG. Here it can be seen that it is a section of a helical gearing.
  • the force F which acts on the flank 207 of the tooth sample 203 for testing purposes, must correspond be aligned obliquely. This is achieved by a corresponding oblique orientation of the load generator 213, as shown in Fig. 4.
  • a major axis 401 along which the roller 215 is slidable and in which direction a force may be applied is orthogonal to the flank 207 of the tooth sample 203.
  • the flank 207 in turn extends anti-parallel to a major axis 403 of the dental dynamometer 201 ,
  • the main axis 403 is aligned parallel to a rotation axis of the gear 101 from which the tooth sample 203 has been cut out.
  • the main axis 401 of the load generator 213 and the main axis 403 of the toothed test stand 203 are thus not orthogonal to one another.
  • the direction of the perspective shown in FIG. 5 corresponds to the direction of the force F applied by the load generator 213. From this perspective, an entanglement of an axis of rotation 501 of the roller 215 of the load generator 213 with respect to an engagement line 503 can be seen.
  • the engagement line 503 denotes a region in which the flank 207 of the tooth sample 203 is loaded by the roller 215. In particular, there is a contact between the roller 215 and the flank 207 along the engagement line 503.
  • the axis of rotation 501 of the roller 215 and the engagement line 503 are anti-parallel. This causes a so-called specific sliding of the roller 215.
  • the roller 215 moves not only rolling but also sliding over the surface of the flank 207. As a result, real prevailing load conditions can be simulated very accurately.
  • FIGS. 6a and 6b The resulting force relationships are illustrated in FIGS. 6a and 6b, a first component of a force F applied by the load generator 213 to the flank 207 acts in the flank as a normal force Fn perpendicular to the flank 207. A second component of the force F is shown perpendicular to Fn.
  • Fig. 7 illustrates the force F, which is applied by the roller 215 on the flank 207 of the tooth sample 203, over time. Also shown is a test load 701, which is applied by the spring 217 in the idle state. By the Up and down movement of the tooth sample 203 describes the force F a fluctuating around the test load 701 around periodic course.
  • rollers 215 are also entangled with respect to their engagement lines in a two-fold embodiment in order to simulate specific sliding.
  • the gear 101 from which the tooth sample 203 has been cut out may be an internally toothed or externally toothed gear 101.
  • FIG. 1 1 illustrates an internally toothed gear 101.
  • the tooth sample 203 is cut out of the gear 101.
  • the first cut surface 1001 and the second cut surface 1003 are parallel to each other.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Testing Of Devices, Machine Parts, Or Other Structures Thereof (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verzahnungsprüfstand mit einer Probenaufnahme (209) und einem Lasterzeuger (213); wobei der Lasterzeuger (213) mindestens einen Kopf (215) aufweist. Die Probenaufnahme (209) ist ausgebildet, mindestens ein Teil (205) einer einzelnen, aus der Verzahnung eines Zahnrads (101) herausgetrennten Zahnprobe (203) aufzunehmen; wobei die Zahnprobe (203) einen Zahn des Zahnrads (101) umfass; und wobei der Kopf (215) an einer Flanke (207) des Zahns anliegt und eine Last auf die Flanke (207) aufbringt.

Description

Verzahnungsprüfstand
Die Erfindung betrifft einen Verzahnungsprüfstand nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 , eine Zahnprobe nach dem Oberbegrifft von Anspruch 14 und ein Verfahren nach Anspruch 15.
Um die Belastbarkeit der Verzahnung eines Zahnrads zu prüfen, sind aus dem Stand der Technik sogenannte FZG-Prüfstände und Pulsatorprüfstände bekannt. Bei einem FZG-Prüfstand werden die Verzahnungen zweier Zahnräder in Eingriff gebracht und gegeneinander verspannt. Bei den Zahnrädern handelt es sich regelmäßig um maßstäblich verkleinerte Modelle größerer Zahnräder. Dies birgt das Risiko, dass die ermittelten Ergebnisse nicht 1 :1 auf die größeren Zahnräder übertragen werden können. Darüber hinaus ist bei einem FZG-Prüfstand die Verspannung und damit die simulierte Last gewöhnlich statisch. Die Prüfung dynamischer Lasten ist damit nicht möglich.
Bei einem Pulsatorprüfstand werden zwei Zähne der Verzahnung eines Zahnrads zwischen zwei Stempeln verspannt. Mittels der Stempel können dynamische Lasten aufgebracht werden. Bedingt durch die Verformungen im Zahnrad ist allerdings die Auflagefläche der Stempel auf den Zähnen nicht exakt definiert. Zudem ist es nicht möglich, die bei Evolventenverzahnungen auftretenden Abrollbewegungen der einzelnen Zähne zu simulieren. Auch die Prüfung von schräg verzahnten Zahnrädern ist mit herkömmlichen Pulsatorprüfständen nicht möglich. Die Richtung der mittels der Stempel in das Zahnrad eingeleiteten Kräfte verläuft orthogonal zu einer Drehachse des Zahnrads. Dies bedingt eine Gradverzahnung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Lastverhalten der Verzahnung eines Zahnrads unter Umgehung der den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen innewohnenden Nachteile zu prüfen. Insbesondere soll die Validität der Ergebnisse der Prüfung verbessert werden. Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Verzahnungsprüfstand nach Anspruch 1 , eine Zahnprobe nach Anspruch 14 und ein Verfahren nach Anspruch 15. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
Mit Verzahnungsprüfstand wird eine Anordnung zum Prüfen der Verzahnung eines Zahnrads bezeichnet.
Der erfindungsgemäße Verzahnungsprüfstand umfasst eine Probenaufnahme, d.h. ein Mittel zur Aufnahme einer Probe bzw. eines Prüflings und einem Lasterzeuger, d.h. ein Mittel zum Aufbringen einer Last, insbesondere einer mechanischen Last.
Als Mittel zum Übertragen der Last auf die Probe weist der Lasterzeuger mindestens einen Kopf auf.
Bei der Probe handelt es sich um eine Zahnprobe. Diese umfasst einen, vorzugsweise genau einen aus der Verzahnung des Zahnrads herausgetrennten Zahn. Bei dem Zahnrad handelt es sich vorzugsweise um ein innen- oder außenverzahntes Zylinderrad. Dessen Verzahnung kann etwa als Geradverzahnung, aber auch als Evolventenverzahnung ausgeführt sein.
Die Probenaufnahme ist erfindungsgemäß ausgebildet, die beschriebene Probe aufzunehmen, d.h. geeignet zu fixieren. Die Fixierung erfolgt derart, dass eine Last auf eine Flanke des Zahns aufgebracht werden kann.
Zum Aufbringen der Last dient der Kopf des Lasterzeugers der an der Flanke des Zahns anliegt. Über eine entsprechende Anlagefläche des Kopfes an der Flanke wird die Last in die Flanke eingeleitet.
Bei der Last handelt es sich um eine Kraft, die sich in der Anlagefläche als Druck manifestiert. Insbesondere kann die Kraft im zeitlichen Verlauf veränderlich sein.
Die Erfindung ermöglicht es, die Verzahnung eines realen Zahnrads ohne die Anfertigung verkleinerter Modelle direkt zu testen. Da nur ein einzelner Zahn getestet wird, ist es nicht erforderlich, das Zahnrad komplett in den Prüfstand einzuspannen. Insbesondere bei Großgetrieben, etwa Windraftgetrieben, ist dies von Vorteil. Entsprechend realen Belastungssituationen lassen sich zudem in Abhängigkeit der Zeit veränderliche Lasten simulieren.
Um über den Kopf des Lasterzeugers veränderliche Lasten auf die Flanke des Zahns aufzubringen, sind in einer bevorzugten Weiterbildung die Zahnprobe inclusive des Zahns und der Kopf relativ zueinander beweglich. So können weiterbildungsgemäß die Zahnprobe translatorisch in eine erste Richtung und der Kopf translatorisch in eine zweite Richtung bewegt werden. Die Bewegungen der Zahnprobe in die erste Richtung und des Kopfs in die zweite Richtung erfolgen relativ zu einer ortsfesten Struktur, etwa einem Gehäuse des Verzahnungsprüfstands. Bevorzugt sind die Zahnprobe und/oder der Kopf so fixiert, etwa in der ortsfesten Struktur, dass Bewegungen ausschließlich in die erste Richtung bzw. die zweite Richtung möglich sind.
In einer darüber hinaus bevorzugten Weiterbildung verläuft die zweite Richtung antiparallel zu einer Flächennormalen einer Kontaktfläche des Kopfs und der Flanke. Dies ist gleichbedeutend damit, dass die zweite Richtung antiparallel zu einer Flächennormalen der Flanke verläuft, wobei der Kopf in der Flächennormalen an der Flanke anliegt. Dadurch wird eine Voraussetzung geschaffen über eine erste, in die erste Richtung auf den Zahn wirkende Kraft und eine zweite, in die zweite Richtung auf den Kopf wirkende Kraft die Flanke des Zahns zu belasten.
Die Zahnprobe wird bevorzugt symmetrisch in den Verzahnungsprüfstand eingespannt. Dies bedeutet, dass eine Ebene, bezüglich welcher der Zahn ebensymmetrisch ist, und die Bewegungsrichtung der Zahnprobe, d.h. die erste Richtung, parallel zueinander ausgerichtet sind. Bezüglich des Zahnrads, aus dem die Zahnprobe herausgetrennt wurde, verläuft die erste Richtung radial, d.h. orthogonal zu einer Drehachse bzw. Mittelachse des Zahnrads.
Die erste Kraft und die zweite Kraft werden in bevorzugten Weiterbildungen nach dem Prinzip von Actio und Reactio aufgebracht. So ist der Kopf in einer bevorzugten Weiterbildung gegen die Flanke verspannt.
Hierbei bringt der Kopf in Reaktion auf eine aktiv aufgebrachte erste Kraft passiv die zweite Kraft - die Reactio - auf.
Insbesondere kann der Lasterzeuger zu diesem Zweck mindestens ein Federelement aufweisen, das gegen den Kopf verspannt ist. Im Einzelnen ist das Federelement zwischen dem Kopf und einem feststehenden Mittel verspannt. Bei dem feststehenden Mittel handelt es sich um eine Komponente des Lasterzeugers, die etwa in der oben genannten ortsfesten Struktur fixiert sein kann.
Die Wirkrichtung des Federelements stimmt vorzugsweise mit der zweiten Richtung überein. Durch das Federelement wird also eine in die zweite Richtung weisende Federkraft auf den Kopf aufgebracht. Die auf den Kopf aufgebrachte Federkraft kommt in Reaktion auf eine anderweitig eingeleitete Kraft zustande.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist ein Aktor zur Einleitung der genannten Kraft vorgesehen. Der Aktor wirkt weiterbildungsgemäß auf die Zahnprobe, d.h. beaufschlagt die Zahnprobe mit einer Kraft - der Actio. Die von dem Aktor auf den Zahn aufgebrachte Kraft verläuft in die erste Richtung. Entsprechend stimmt die Wirkrichtung des Aktors bevorzugt mit der ersten Richtung überein. Bevorzugt ist der Aktor dabei in der ortsfesten Struktur fixiert und wirkt auf die Zahnprobe.
Der Aktor bewegt die Zahnprobe weiterbildungsgemäß oszillierend. Eine oszillierende Bewegung zeichnet sich durch eine wiederholte Umkehr der Bewegungsrichtung aus. Die oszillierende Bewegung des Zahns erfolgt in die erste Richtung oder entgegengesetzt dazu.
Die Bezeichnung oszillierende Bewegung ist gleichbedeutend mit einer Schwingung. Weiterbildungsgemäß regt der Aktor die Zahnprobe also zu einer Schwingung an.
Alternativ wirkt der Aktor des Lasterzeugers nicht auf die Zahnprobe sondern auf den Kopf. In diesem Fall stimmt die Wirkrichtung des Aktors mit der zweiten Richtung überein. Der Aktor ist dabei bevorzugt in der feststehenden Struktur fixiert. Wenn der Aktor auf den Kopf wirkt, wirkt das Federelement entsprechend auf die Zahnprobe. Dabei ist das Federelement zwischen der ortsfesten Struktur und der Zahnprobe verspannt. Die Wirkrichtung des Federelements stimmt in diesem Fall vorzugsweise mit der ersten Richtung überein, d.h. die von dem Federelement aufgebrachte Federkraft weist in die erste Richtung.
Der Kopf ist in einer darüber hinaus bevorzugten Weiterbildung rotationssymmetrisch. Insbesondere kann der Kopf als zylindrische Rolle ausgebildet sein. Dabei kommt es zwischen dem Kopf und der Flanke des Zahns zu einer linienförmigen Berührung. Entsprechend bringt der Kopf eine Linienlast auf den Kopf auf.
Besonders bevorzugt wird eine drehbar gelagerte Weiterbildung des Kopfs. Dies ermöglicht eine Abroll beweg ung des Kopfs an der Flanke des Zahns. Die Abrollbewegung des Kopfs entspricht einem bei Evolventenverzahnungen auftretenden rollenden Zahneingriff.
Eine Drehachse des drehbar gelagerten Kopfs kann gegenüber mindestens einer Flankenlinie der Zahnflanke verschränkt sein. Dies bedeutet, dass die Drehachse und die Flankenlinie windschief zueinander verlaufen. Die Verschränkung der Drehachse gegenüber der Flankenlinie kommt vorzugsweise derart zustande, dass die Drehachse ausgehend von einem parallelen Verlauf zu der Flankenlinie um eine flächennormale der Berührfläche des Kopfs und der Flanke des Zahns verdreht wird. Infolgedessen rollt der Kopf infolge der Bewegungen der Zahnprobe in die erste Richtung und/oder des Kopfs in die zweite Richtung nicht nur an der Flanke des Zahns ab, sondern unterliegt auch einer Gleitbewegung orthogonal zur Richtung des Abrollens. Hierdurch lässt sich eine Belastung der Flanke durch sogenanntes spezifisches Gleiten simulieren.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung weist der Lasterzeuger zur Simulation mehrachsiger Belastungszustände mindestens zwei Köpfe auf, die an derselben Flanke des Zahns anliegen und jeweils eine Last auf die Flanke aufbringen. Der erste Kopf und der zweite Kopf sind räumlich voneinander getrennt und berühren die Flanke des Zahns in räumlich voneinander getrennten Berührflächen. Auch die von den Köpfen auf die Flanke des Zahns aufgebrachten Lasten sind damit räumlich voneinander getrennt.
Die Verwendung zweier Köpfe ermöglicht es, mit einem der Köpfe gezielt eine Biegebeanspruchung des Zahns herbeizuführen, während der andere - dem Zahnfuß nähere- Kopf durch die Druckbeanspruchung eine Schwächung der Oberfläche der Flanke des Zahns bewirkt. Darauf basierend lässt sich die Dauerfestigkeit des Zahns sowohl bezüglich Pressung als auch bezüglich Biegung bestimmen. Beide Faktoren sind als Versagensursachen bekannt.
Die mindestens zwei Köpfe sind jeweils in eine Richtung beweglich, die antiparallel zu einer Flächennormalen einer Kontaktfläche des jeweiligen Kopfs und der Flanke des Zahns verläuft. Bevorzugt ist zudem jeder der Köpfe gegen die Flanke verspannt. Hierzu können Federelemente vorgesehen sein, die jeweils zwischen den Köpfen und der feststehenden Struktur verspannt sind. Alternativ ist es möglich, die Köpfe jeweils mit einem Aktor zu belasten bzw. in eine oszillierende Bewegung zu versetzen. Vorzugsweise sind darüber hinaus die Köpfe rotationssymmetrisch bzw. als Rolle ausgebildet und drehbar gelagert. Um spezifisches Gleiten zu simulieren, können die Drehachsen der beiden Köpfe gegenüber jeweils mindestens einer Flankenlinie der Flanke des Zahns verschränkt sein.
Die Zahnprobe umfasst einen, vorzugsweise genau einen Zahn eines Zahnrads und einen Schaft zur Fixierung in der Probenaufnahme des oben beschriebenen Verzahnungsprüfstands. Der Schaft kann etwa mindestens teilweise quader- oder zylinderförmig ausgestaltet sein. Die Zahnprobe wurde aus dem Zahnrad herausgetrennt. Dies impliziert, dass die Zahnprobe zuvor Bestandteil des Zahnrads war.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Prüfen der Verzahnung eines Zahnrads umfasst die folgenden Schritte:
- Heraustrennen eines Zahns aus dem Zahnrad; und
- Prüfen des Zahns mittels eines Verzahnungsprüfstands der oben beschriebenen Art. Das Heraustrennen des Zahns kann etwa durch Sägen oder zerteilen erfolgen. Sägen ist in der Norm DIN 8589 definiert. Die Norm DIN 8588 definiert Zerteilen.
Der Verfahrensschritt des Prüfens umfasst einen Teilschritt des Einspannens des Zahns in den Verzahnungsprüfstand und einen Teilschritt des Belastens des Zahns mittels des Verzahnungsprüfstands. Der Zahn wird in den Verzahnungsprüfstands eingespannt, in dem er in der Probenaufnahme fixiert wird. Die Belastung des Zahns gestaltet sich derart, dass durch den Kopf oder die Köpfe des Verzahnungsprüfstands eine Last auf eine Flanke des Zahns aufgebracht wird.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt. Übereinstimmende Bezugsziffern kennzeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale. Im Einzelnen zeigt:
Fig. 1 einen aus dem Stand der Technik bekannten Pulsatorprüfstand
Fig. 2 einen Verzahnungsprüfstand mit den Merkmalen der Erfindung;
Fig. 3 eine Teilansicht einer eingespannten Zahnprobe;
Fig. 4 die Prüfung der Zahnprobe mit einem Lasterzeuger;
Fig. 5 spezifisches Gleiten;
Fig. 6a und 6b Kräfte beim spezifischen Gleiten;
Fig. 7 einen Testzyklus;
Fig. 8 einen zweiköpfigen Verzahnungsprüfstand;
Fig. 9 spezifisches Gleiten bei dem zweiköpfigen Verzahnungsprüf stand;
Fig. 10 ein Zahnrad mit Außenverzahnung; und
Fig. 1 1 ein Zahnrad mit Innenverzahnung.
Das in Figur 1 dargestellte Zahnrad 101 ist zwischen zwei Stempeln 103 eines herkömmlichen Pulsatorprüfstands zum Zwecke der Simulation einer dynamischen Belastungssituation eingespannt. Die Stempel 103 greifen in die Verzahnung des Zahnrads 101 ein und bringen eine Last auf. Herkömmliche Pulsatorprüfstände weisen eine Reihe von Nachteilen auf, die sich mit dem in Fig. 2 dargestellten Verzahnungsprüfstand 201 vermeiden lassen. In den Verzahnungsprüfstand 201 ist eine zu prüfende Zahnprobe 203 eingespannt. Die Zahnprobe 203 zeichnet sich dadurch aus, dass es sich nicht um ein zum Zwecke der Prüfung hergestelltes Modell handelt, sondern aus einem einsatzfähigen Zahnrad extrahiert wurde.
Die Zahnprobe 203 umfasst einen Schaft 205 und zwei Zahnflanken 207. Mit dem Schaft 205 ist die Zahnprobe 203 in einer Probenaufnahme 209 eingespannt. Die Probenaufnahme 209 führt die Zahnprobe 203 in vertikaler Richtung beweglich.
Der Schaft 205 weist eine nach oben geöffnete Sacklochbohrung mit einem Innengewinde 21 1 auf. Über das Innengewinde 21 1 kann die Zahnprobe 203 an einen in Fig. 2 nicht dargestellten Aktor angeschlossen werden, der die Zahnprobe 203 auf und ab bewegt.
Um eine auf die Flanke 207 wirkende Belastung zu simulieren, weist der Verzahnungsprüfstand 201 einen Lasterzeuger 213 auf. Eine drehbar gelagerte Rolle 215 des Lasterzeugers 213 steht mit der Flanke 207 in Berührung. Mittels einer Feder 213 wird die Rolle 215 vorgespannt. Eine Kraft F der Feder 213 wirkt in horizontaler Richtung auf die Rolle 215 und drückt diese gegen die Flanke 207.
Ein Gehäuse 219 kapselt die Komponenten des Verzahnungsprüfstands. In dem Gehäuse 219 ist der Lasterzeuger 213 fixiert. Weiterhin bildet das Gehäuse 219 die Probenaufnahme 209 aus. Im Inneren des Gehäuses 219 befindet sich ein Ölbad 221 , in welches die Flanke 207 der Zahnprobe 203 und die Rolle 215 des Lasterzeugers 213 eingetaucht sind. Durch das Ölbad 221 lässt sich die in einem realen Getriebe vorhandene Ölschmierung simulieren.
Eine Ansicht der Zahnprobe 203 von unten ist in Fig. 3 dargestellt. Hier ist zu erkennen, dass es sich um einen Ausschnitt einer Schrägverzahnung handelt. Die Kraft F, die zu Prüfzwecken auf die Flanke 207 der Zahnprobe 203 einwirkt, muss entspre- chend schräg ausgerichtet sein. Dies wird erreicht durch eine entsprechend schräge Ausrichtung des Lasterzeugers 213, wie in Fig. 4 dargestellt.
Gemäß Fig. 4 verläuft eine Hauptachse 401 , entlang der die Rolle 215 verschiebbar ist, und in deren Richtung entsprechend eine Kraft aufgebracht werden kann, orthogonal zu der Flanke 207 der Zahnprobe 203. Die Flanke 207 wiederum verläuft antiparallel zu einer Hauptachse 403 des Verzahnungsprüfstands 201 . Die Hauptachse 403 ist parallel ausgerichtet zu einer Drehachse des Zahnrads 101 , aus dem die Zahnprobe 203 herausgetrennt wurde. Insbesondere stehen somit die Hauptachse 401 des Lasterzeugers 213 und die Hauptachse 403 des Verzahnungsprüfstands 203 nicht orthogonal zueinander.
Die Richtung der in Fig. 5 dargestellten Perspektive entspricht der Richtung der von dem Lasterzeuger 213 aufgebrachten Kraft F. Aus dieser Perspektive ist eine Verschränkung einer Drehachse 501 der Rolle 215 des Lasterzeugers 213 gegenüber einer Eingriffslinie 503 zu erkennen. Die Eingriffslinie 503 kennzeichnet einen Bereich, in dem die Flanke 207 der Zahnprobe 203 durch die Rolle 215 belastet wird. Insbesondere besteht entlang der Eingriffslinie 503 ein Kontakt zwischen der Rolle 215 und der Flanke 207. In Folge der Verschränkung verlaufen die Drehachse 501 der Rolle 215 und die Eingriffslinie 503 antiparallel. Dies bewirkt ein sogenanntes spezifisches Gleiten der Rolle 215. Die Rolle 215 bewegt sich dabei nicht nur rollend sondern auch gleitend über die Oberfläche der Flanke 207. Hierdurch lassen sich real vorherrschende Belastungsverhältnissee sehr exakt simulieren.
Die resultierenden Kräfteverhältnisse sind in den Fig. 6a und 6b veranschaulicht, eine erste Komponente einer von dem Lasterzeuger 213 auf die Flanke 207 aufgebrachten Kraft F wirkt in der Flanke als eine senkrecht zu der Flanke 207 stehende Normalkraft Fn. Eine zweite Komponente der Kraft F steht senkrecht zu Fn.
Fig. 7 stellt die Kraft F, welche durch die Rolle 215 auf die Flanke 207 der Zahnprobe 203 aufgebracht wird, im zeitlichen Verlauf dar. Dargestellt ist weiterhin eine Prüflast 701 , welche im Ruhezustand durch die Feder 217 aufgebracht wird. Durch die Auf- und Abbewegung der Zahnprobe 203 beschreibt die Kraft F einen um die Prüflast 701 herum schwankenden periodischen Verlauf.
Fig. 8 zeigt eine Variante des Verzahnungsprüfstands 201 mit zwei Rollen 215. Beide Rollen 215 liegen an der Flanke 207 der Zahnprobe 203 an und werden durch die Feder 217 mit einer Last beaufschlagt. Auf diese Weise lässt sich eine realitätsgetreuere Simulation der real vorherrschenden Belastungsverhältnisse realisieren.
Wie in Fig. 9 dargestellt, sind analog zu Fig. 5 die Rollen 215 auch in zweifach vorhandener Ausführung gegenüber ihren Eingriffslinien verschränkt, um spezifisches Gleiten zu simulieren.
Bei dem Zahnrad 101 , aus dem die Zahnprobe 203 herausgetrennt wurde, kann es sich um ein innenverzahntes oder ein außenverzahntes Zahnrad 101 handeln.
Fig. 10 stellt ein außenverzahntes Zahnrad 101 dar. Die Zahnprobe 203 wird entlang einer ersten Schnittfläche 1001 und einer zweiten Schnittfläche 1003 aus dem Zahnrad 101 herausgetrennt. Die erste Schnittfläche 1001 und die zweite Schnittfläche 1003 verlaufen parallel zueinander.
Fig. 1 1 stellt analog ein innenverzahntes Zahnrad 101 dar. Entlang der ersten Schnittfläche 1001 und der zweiten Schnittfläche 1003 wird die Zahnprobe 203 aus dem Zahnrad 101 herausgetrennt. Auch hier verlaufen die erste Schnittfläche 1001 und die zweite Schnittfläche 1003 parallel zueinander.
Bezuqszeichen
101 Zahnrad
103 Stempel
201 Verzahnungsprüfstand
203 Zahnprobe
205 Schaft
207 Flanke
209 Probenaufnahme
21 1 Innengewinde
213 Lasterzeuger
215 Rolle
217 Feder
219 Gehäuse
221 Ölbad
401 Hauptachse des Lasterzeugers
701 Prüf last
1001 erste Schnittfläche
1003 zweiter Schnittfläche

Claims

Patentansprüche
1 . Verzahnungsprüfstand mit einer Probenaufnahme (209) und einem Lasterzeuger (213); wobei
der Lasterzeuger (213) mindestens einen Kopf (215) aufweist; dadurch gekennzeichnet, dass
die Probenaufnahme (209) ausgebildet ist, mindestens ein Teil (205) einer einzelnen, aus der Verzahnung eines Zahnrads (101 ) herausgetrennten Zahnprobe (203) aufzunehmen; wobei
die Zahnprobe (203) einen Zahn des Zahnrads (101 ) umfass; und wobei
der Kopf (215) an einer Flanke (207) des Zahns anliegt und eine Last auf die Flanke
(207) aufbringt.
2. Verzahnungsprüfstand nach Anspruch 1 ; dadurch gekennzeichnet, dass
die Zahnprobe (203) translatorisch in eine erste Richtung beweglich ist; wobei der Kopf (215) translatorisch in eine zweite Richtung beweglich ist.
3. Verzahnungsprüfstand nach dem vorhergehenden Anspruch; dadurch gekennzeichnet, dass
die zweite Richtung antiparallel zu einer Flächennormalen einer Kontaktfläche des Kopfs (215) und der Flanke (207) verläuft.
die zweite Richtung antiparallel zu einer Flächennormalen der Flanke (207) verläuft; wobei
der Kopf (215) in der Flächennormalen an der Flanke (207) anliegt.
4. Verzahnungsprüfstand nach einem der vorhergehenden zwei Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass
erste Richtung bezüglich des Zahnrads (101 ) radial verläuft.
5. Verzahnungsprüfstand nach einem der Ansprüche 2 bis 4; dadurch gekennzeichnet, das
der Kopf (215) gegen die Flanke (207) verspannt ist.
6. Verzahnungsprüfstand nach dem vorhergehenden Anspruch; dadurch gekennzeichnet, dass
der Lasterzeuger (213) mindestens ein Federelement (217) aufweist; wobei das Federelement (217) gegen den Kopf (215) verspannt ist.
7. Verzahnungsprüfstand nach einem der Ansprüche 3 bis 6; gekennzeichnet durch einen Aktor; wobei
der Aktor eine oszillierende Bewegung der Zahnprobe (203) bewirkt.
8. Verzahnungsprüfstand nach einem der Ansprüche 2 bis 4; dadurch gekennzeichnet, dass
der Lasterzeuger (213) mindestens einen Aktor aufweist; wobei
der Aktor eine oszillierende Bewegung des Kopfs (215) bewirkt.
9. Verzahnungsprüfstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass
der Kopf (215) rotationssymmetrisch ist.
10. Verzahnungsprüfstand nach dem vorhergehenden Anspruch; dadurch gekennzeichnet, dass
der Kopf (215) als zylindrische Rolle ausgebildet ist.
1 1 . Verzahnungsprüfstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass
der Kopf (215) drehbar gelagert ist.
12. Verzahnungsprüfstand nach dem vorhergehenden Anspruch; dadurch gekennzeichnet, dass
eine Drehachse des Kopfs (215) gegenüber mindestens einer Flankenlinie der Zahnflanke verschränkt ist.
13. Verzahnungsprüfstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass der Lasterzeuger (213) mindestens zwei Kopfe (215) aufweist; wobei der Köpfe (215) an der Flanke (207) anliegen und jeweils eine Last auf die Flanke
(207) aufbringen.
14. Zahnprobe (203); dadurch gekennzeichnet, dass
die Zahnprobe (203) einen Zahn eines Zahnrads (101 ) umfasst; wobei
die Zahnprobe (203) aus dem Zahnrad (101 ) herausgetrennt wurde; wobei die Zahnprobe (203) einen Zahn des Zahnrads (101 ) einen Schaft (205) zur Aufnahme in einem Verzahnungsprüfstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
15. Verfahren zum Prüfen der Verzahnung eines Zahnrads mit folgenden Schritten:
- Heraustrennen einer Zahnprobe (203) nach dem vorhergehenden Anspruch aus dem Zahnrad (101 );
- Prüfen des Zahns mittels eines Verzahnungsprüfstands nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
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