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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der internen Reibung von Wälzlagern mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 7.
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Elektromechanische Servolenkungen für Kraftfahrzeuge werden zur Unterstützung eines vom Fahrer eingeleiteten Lenkradhandmoments eingesetzt. Dabei kann der Elektromotor an der Lenksäule oder dem Lenkgetriebe die Lenkbewegung des Fahrers unterstützen. Eine Bauart dieser elektromechanischen Servolenkungen sieht vor, dass eine Zahnstange neben der üblichen Ritzelverzahnung auch mit einem Schraubengewinde versehen ist, auf dem ein Kugelgewindetrieb angeordnet ist. Dieser Kugelgewindetrieb wird im Betrieb von einem elektrischen Servomotor angetrieben und bewirkt eine Hilfskraft in Axialrichtung der Zahnstange, die den Fahrer bei einer Lenkbewegungen unterstützt. Kugelgewindetriebe umfassen üblicherweise eine mittels eines Kugellagers gelagerte Kugelmutter, wobei das Kugellager mehrere Kugeln aufweist, die zwischen einem Außenring und einem Innenring angeordnet sind.
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Es werden besonders hohe Anforderung an das Geräuschverhalten des Kugelgewindetriebs, an dessen Tragfähigkeit und seine Lebensdauer gestellt. Insbesondere das Kugellager muss mit hoher Präzision gefertigt werden. Gleichzeitig sollen die Fertigungskosten gering gehalten werden.
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Aus der
DE 10 2009 060 528 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Prüfung eines Kugelgewindetriebs bekannt, bei dem das Getriebespiel ermittelt wird. Hierbei wird die Kugelmutter in Axialrichtung mit einer Vorspannkraft gegenüber der Spindel beaufschlagt. Währenddessen wird die Kugelmutter über den kompletten Nutzbereich der Spindel bewegt. Die Vorspannkraft wird jeweils in positiver und negativer Richtung eingebracht, so dass das Flankenspiel über den gesamten Bereich exakt bestimmt werden kann.
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Um das radiale Spiel des Getriebes zu erfassen, sind aus der
DE 10 2012 008 106 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren bekannt, bei denen die Verkippung der Kugelmutter gegenüber der Spindel gemessen wird. Auch hier wird die Kugelmutter über den gesamten Gewindebereich der Spindel bewegt, während über eine Aufnahme der Kugelmutter eine Schrägstellung provoziert wird.
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Die Wälzlager hingegen werden geprüft, indem der Lagerinnenring von einer Antriebswelle in Rotation versetzt und mit einer Prüflast hydraulisch beaufschlagt wird und dabei das Drehmoment an dem Lageraußenring gemessen wird. Dabei ist die Prüflast parallel zur Drehachse orientiert. Durch diese Prüfung lässt sich der dynamische Verlauf der internen Reibung des Prüflagers bei reiner Axiallast bestimmen.
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Nach dem Einbau des Kugelgewindetriebs in das Gehäuse und Inbetriebnahme kann das Lager akustisch auffällig werden, obwohl die vorhergehende Prüfung durchgeführt wurde.
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Diese Geräuschbildung kann durch Verkippung des Lagers hervorgerufen werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Reibprüfung eines Kugellagers anzugeben, bei denen das Lagerverhalten bei schiefgestelltem Lager simuliert wird.
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Diese Aufgabe wird von einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruch 1 und einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
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Danach ist eine Vorrichtung zur Messung der internen Reibung von Wälzlagern mit einer Belastungseinrichtung zur Beaufschlagung der zu prüfenden Wälzlager mit einer Prüflast bei gleichzeitiger Rotation der Lagerringe relativ zueinander, mit einem antreibenden Motor, der mit einem der beiden Lagerringe koppelbar ist, so dass der Motor bei der Messung den rotierenden Teil des Lagers um eine Längsachse antreibt, und mit einem Gestell, das dazu eingerichtet ist, den anderen der beiden Lagerringe in einer Halterung drehfest zu halten, vorgesehen, bei der die Belastungseinrichtung ein erstes Mittel zur Erzeugung einer Kraft als erste Komponente der Prüflast parallel zur Längsachse und ein zweites Mittel zur Erzeugung eines Drehmoments um eine zu der Längsachse senkrecht stehenden Kippachse als zweite Komponente der Prüflast aufweist. Durch die zweite Komponente der Prüflast kann das Lagerverhalten bei schiefgestelltem Lager simuliert wird.
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Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass ein Lagerinnenring des Wälzlagers mit einer Prüfwelle des Motors drehfest verbunden ist, wobei der Lagerinnenring um die Längsachse rotiert, und dass ein Lageraußenring des Wälzlagers mittels der Halterung in einem Gestell verschwenkbar gelagert ist. Der Lageraußenring kann sich somit mit dem Lagerinnenring verkippen. Von dem Kippmoment in Abhängigkeit von der relativen Position der Lagerringe zueinander kann auf die Reibung des Lagers geschlossen werden.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Halterung raumfest gehalten ist. Durch Messung des Antriebsmoments kann so auf die Reibung des Lagers in Abhängigkeit von der relativen Position der Lagerringe zueinander geschlossen werden.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Halterung Teil der Belastungseinrichtung ist, wobei die definierte Prüflast durch ein Gewicht an einem Ende eines von der Halterung ausragenden Arms beaufschlagt ist. Durch diese Konstruktion ist es möglich, dass bei der Rotation der Lagerringe relativ zueinander der drehfeste Ring mitkippen kann.
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Vorzugsweise spannen die Längsachse des Lagerinnenrings und eine Längsachse des Lageraußen rings einen Winkel kleiner als ein Grad auf.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Wälzlager Teil eines Kugelgewindetriebs.
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Weiterhin vorgesehen ist ein Verfahren zur Messung der internen Reibung von Wälzlagern mit einer Belastungseinrichtung zur Beaufschlagung der zu prüfenden Wälzlager mit einer definierten Prüflast bei gleichzeitiger Rotation der Lagerringe relativ zueinander, und einem den rotierenden Teil des Lagers antreibenden Motor, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- – Einspannen des Lageraußenrings in eine Halterung;
- – Drehfestes Befestigen des Lagerinnenrings auf einer Prüfwelle des Motors;
- – Verschwenken der Halterung relativ zu einer Längsachse der Prüfwelle;
- – Rotieren der Prüfwelle bzw. des Lagerinnenrings.
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Vorzugsweise wird der Lageraußenring während der Rotation des Lagerinnenrings raumfest gehalten. Dabei werden bevorzugt das Antriebsmoment und die relative Winkelposition des Motors gemessen.
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Es kann weiterhin in einer anderen Ausführungsform vorgesehen sein, dass der Lageraußenring während der Rotation des Lagerinnenrings mittels der Halterung verschwenkbar gelagert ist und eine Verschwenkung der Halterung mittels eines Winkelaufnehmers in Abhängigkeit einer relativen Winkelposition des Motors gemessen wird.
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Bei den vorhergehenden Verfahren wird, bevorzugt vor der Rotation des Lagerinnenrings, eine Längsachse der Halterung bzw. des Lageraußenrings relativ zu der Längsachse der Prüfwelle um weniger als ein Grad verschwenkt.
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Es ist vorteilhaft, wenn das Wälzlager Teil eines Kugelgewindetriebs ist. Der Kugelgewindetrieb wiederum ist Bestandteil einer elektromechanischen Servolenkung.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
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1: ein Kugellager in einem unbelasteten Zustand in einem Quer- und einem Längsschnitt,
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2: eine schematische Darstellung eines Prüfverfahrens nach dem Stand der Technik,
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3: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Prüfverfahrens, sowie
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4: einen Längsschnitt eines Ausschnitts eines erfindungsgemäßen Prüfstands.
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1 zeigt ein Lager in einem unbelasteten Zustand in einem Quer- und einem Längsschnitt. Das Kugellager 1 weist einen Lagerinnenring 2 und einen Lageraußenring 3 auf. Der Lageraußenring 3 umfasst den Lagerinnenring 2 umfangseitig. Die Lagerringe 3, 2 sind koaxial zu einer Längsachse 4 angeordnet. Zwischen den Lagerringen 2, 3 sind Kugeln 5 angeordnet, die sich auf einer Kugellaufbahn 6, die auf einer Innenseite des Lageraußenrings 7 und einer Außenseite des Lagerinnenrings 8 ausgebildet ist, abwälzen. Die Kugeln 5 stehen in dem unbelasteten Zustand in Anlage mit der Kugellaufbahn 6 in vier Kugelkontaktpunkten 9. Weiterhin ist eine Achse der Kugelmitten 10 identisch mit einer Achse der Laufbahnmitten 11.
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In der 2 ist der Stand der Technik der Prüfung in einem Längsschnitt eines Kugellagers dargestellt. Der Lagerinnenring 2 wird von einer Antriebswelle 12 in Rotation versetzt und der Lagerinnenring 2 wird mit einer Prüflast 13 hydraulisch beaufschlagt. Dabei wird das Drehmoment an dem Lageraußenring 3 gemessen. Die Prüflast 13 ist parallel zur Drehachse bzw. Längsachse 4 orientiert. Die Kugeln 5 stehen in zwei Kugelkontaktpunkten 9' in Anlage mit der Kugellaufbahn 6. Die Achse der Kugelmitten 10' weist einen konstanten Versatz zur Achse der Laufbahnmitten 11' auf. Durch die dargestellte Prüfung lässt sich der dynamische Verlauf der internen Reibung des Prüflagers bei reiner Axiallast 13 bestimmen.
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3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung der internen Reibung von Kugellagern 1 in der Bauform eines Prüfstands. Der Prüfstand weist eine Prüfwelle 12 auf, die drehfest mit einem Lagerinnenring 2 eines zu prüfenden Kugellagers 1 verbunden ist. Der Lageraußenring 3 des Kugellagers 1 ist raumfest gehalten. Eine Prüflast greift an dem Lageraußenring 3 so an, dass das resultierende Drehmoment den Lageraußenring 3 relativ zum Lagerinnenring 2 verkippt. Der Kippwinkel ist in dieser Darstellung zur Verdeutlichung übertrieben groß dargestellt. In der Realität wird der Kippwinkel, der durch die Prüflast erzeugt wird, weniger als ein Grad betragen.
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Durch diese Verkippung sind nur noch zwei Kugelkontaktpunkt 9'' gegeben, in denen die Kugeln 5 in Anlage mit der Kugellaufbahn 6 stehen. Es kommt zu einem Winkelversatz α zwischen der Achse der Kugelmitten 10'' und der Achse der Laufbahnmitten 11''. Bei diesem Versatz wird eine Reibungsmessung durchgeführt, bei der der Lagerinnenring 2 von der Prüfwelle 12 in einem realen Drehzahlbereich eines Kugelgewindetriebs angetrieben und das Antriebsmoment 14 in Abhängigkeit von der Rotation des Lagerinnenrings 2 bei raumfesten Lageraußenring 3 oder das Drehmoment 15 des Lageraußenrings 3 gemessen wird.
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In der 4 ist ein Teil des Prüfstands in einem Längsschnitt dargestellt. Der Lagerinnenring 2 wird von zwei Scheiben 16, 17 eingeklemmt, deren Außendurchmesser mit dem Außendurchmesser des Lagerinnenrings 2 übereinstimmt. Die zwei Scheiben 16, 17 bilden dabei einen Sitz 18 für den Lagerinnenring 2. Die untere Scheibe 17 ist in die Prüfwelle 12 eingesetzt. Die Scheiben 16, 17 weisen, wie die Prüfwelle 12, in der Mitte jeweils eine Bohrung 19 auf, die von einer Schraube 20 entlang der Längsachse 4 durchsetzt ist. Durch das Anziehen der Schraube 20 wird der Lagerinnenring 2 mit den Scheiben 16, 17 verklemmt und der Lagerinnenring 2 wird drehfest mit der Prüfwelle 12 verbunden. Die Prüfwelle 12 wird von einem nicht dargestellten Motor angetrieben, der auf einer Basisplatte des Prüfstands raumfest angeordnet ist. Die Prüfwelle 12 steht dabei senkrecht auf der Basisplatte. Auf der Basisplatte befindet sich weiterhin ein nicht dargestelltes Gestell, dass eine verkippbare Halterung 21 für den Lageraußenring 3 trägt. Die Halterung 21 ist topfförmig und im Wesentlichen rotationssymmetrisch zur Längsachse 4 ausgestaltet. Sie deckt das Lager 1 an der antriebsfernen Seite ab. Die Halterung 21 weist auf ihrer Innenseite einen koaxialen Lagersitz 22 für die antriebsferne Oberseite des Lageraußenrings 3 auf. Der Lageraußenring 3 wird in diesem Sitz 22 durch einen mit der Unterseite der Halterung 21 über Schrauben 23 verbundenen koaxialen Verschlussplatte 24 gehalten. Der Lageraußenring 3 ist somit zwischen der Halterung 21 und der Verschlussplatte 24 drehfest eingeklemmt. Die Verschlussplatte 24 weist dabei einen mittig angeordneten kreisrunden Ausschnitt auf, dessen Durchmesser in etwa dem Innendurchmesser des Lageraußenrings 3 entspricht. Die Halterung 21 ist mittig mit dem darüber ragenden Gestell verschwenkbar verbunden. Um eine Verschwenkung des Lageraußenrings 3 gegenüber dem Lagerinnenring 2 zu erzeugen, ist die Halterung 21 an einer Stelle an der Außenseite mit einem ausragenden Arm 25, an dessen Ende ein Gewicht vorgesehen ist, verbunden. Dieser Arm 25 ist an der Halterung 21 mittels Schrauben 26 befestigt. Das Gewicht erzeugt ein Drehmoment, durch das der Lageraußenring 3 gegenüber dem Lagerinnenring 2 verkippt, dabei sind das Gewicht und der Hebelarm so gewählt, dass eine Verkippung von weniger als ein Grad erzielt wird. Es kann ein Kippwinkelaufnehmer für die Messung der relativen Position des Lageraußenrings 3 zum Lagerinnenring 2 vorgesehen sein.
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In diesem verkippten Zustand des Lagers 1 wird die Reibungsmessung durchgeführt, bei der der Lagerinnenring 2 mittels der Prüfwelle 12 in einem realen Drehzahlbereich eines Kugelgewindetriebs angetrieben und das Antriebsmoment in Abhängigkeit von der Rotation des Lagerinnenrings 2 gemessen wird. Der Lageraußenring wird raumfest gehalten. Dabei können die Maximalwerte des Antriebsmoments und/oder das Integral der Differenzen zur Beurteilung der Fertigungsqualität des Lagers herangezogen werden.
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Zur Beurteilung der Fertigungsqualität kann auch vorgesehen sein, eine Verschwenkung der Halterung in dem Gestell bei der Rotation des Lagerinnenrings zu erlauben und mittels eines Kippwinkelaufnehmers die Verschwenkung in Abhängigkeit von einer relativen Winkelposition des Motors zu messen.
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Die zuvor genannten Messmethoden erlauben es das Lagerverhalten bei schiefgestelltem Lager zu prüfen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich den Ausfall der Lenksysteme durch Fehler im Lager des Kugelgewindetriebs deutlich zu verringern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009060528 A1 [0004]
- DE 102012008106 A1 [0005]
