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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Prüfung eines Kugelgewindetriebs mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Bei Kraftfahrzeuglenkungen werden die herkömmlichen hydraulischen Servolenkungen zunehmend durch elektromechanische Servolenkungen ersetzt. Eine Bauart dieser elektromechanischen Servolenkungen sieht vor, dass eine Zahnstange neben der üblichen Ritzelverzahnung auch mit einem Schraubengewinde versehen ist, auf dem ein Kugelumlauf läuft. Dieser Kugelumlauf wird im Betrieb von einem elektrischen Servomotor angetrieben und bewirkt eine Hilfskraft in Axialrichtung der Zahnstange.
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Bei dieser Anwendung werden besonders hohe Anforderungen an das Geräuschverhalten des Kugelgewindetriebs, an dessen Tragfähigkeit und seine Lebensdauer gestellt. Gleichzeitig sollen die Fertigungskosten gering gehalten werden.
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Die Qualität des Getriebes wird neben den verwendeten Materialien insbesondere auch durch die Präzision der Bearbeitungsprozesse bestimmt. Maßgebliche Faktoren sind hier das Axialspiel des Kugelgewindetriebs sowie das Kippspiel. Zur Prüfung eines einzelnen Kugelgewindetriebs wird derzeit eine statische Messung des Spiels an einer oder mehreren Stellen des Kugelgewindetriebs mit einer definierten Kraft vorgenommen. Das Spiel wird dabei je nach Prüfmethode durch Weg- oder Winkelmessungen aufgenommen.
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Für die Prüfung von Stirnrädergetrieben ist es aus der Offenlegungsschrift
WO 2004/034010 A1 bekannt, bei zwei über einen Verzahnungseingriff miteinander in Verbindung stehenden Wellen die Wellen mit Winkelaufnehmern zu versehen und das Getriebe einmal schiebend und einmal ziehend in Betrieb zu setzen, bis jeder Zahn des einen Getrieberades mit jedem Zahn des zweiten Getrieberades in Kontakt gekommen ist. Über die Datenaufnahme der Drehwinkelsensoren ist dann das Zahnflankenspiel jedes möglichen mechanischen Kontakts der Zahnflanken auswertbar. Axialspielmessungen sind hierbei nicht vorgesehen.
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Ein Messverfahren für das Axialspiel eines Elektromotors ist aus der Offenlegungsschrift
DE 103 16 940 A9 bekannt. Hierbei wird die Position eines Rotors des Elektromotors mit einem Abstandssensor erfasst und der Rotor durch Druckluft jeweils in eine der beiden Endlagen des Axialspiels gedrängt. Der Abstandsensor ermittelt dabei die Differenz der Endlagenpositionen und hieraus das Axialspiel der Lagerung. Ein Getriebespiel in mehreren Positionen wird nicht erfasst.
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Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Ermittlung des Getriebespiels eines Kugelgewindetriebs anzugeben, mit dem das Axialspiel dynamisch über den gesamten Bewegungsbereich des Getriebes ermittelt werden kann.
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Weil die Prüfvorrichtung einen Rahmen mit einer Aufnahme für die Halterung der Spindel, eine Halterung für die Kugelmutter, wenigstens einen Wegaufnehmer für die Messung der relativen Position der Spindel zu der Kugelmutter in Richtung einer z-Achse, wenigstens einen Drehwinkelaufnehmer für die Messung der rotatorischen Position der Kugelmutter und/oder der Spindel, Vorspannmittel zur Erzeugung einer Vorspannung der Kugelmutter gegen die Spindel als Axialkraft in Richtung der z-Achse, sowie wenigstens ein Antriebsmittel zur Drehung der Kugelmutter und/oder der Spindel um die z-Achse im Betrieb aufweist, kann über den gesamten Verfahrweg des Kugelgewindetriebs die axiale Position in Abhängigkeit von dem Drehwinkel aufgezeichnet werden, und zwar in beiden in der Praxis auftretenden Lastrichtungen. Es ergibt sich folglich die vollständige Information über das Spiel des Kugelgewindetriebs in jeder möglichen Position und in beiden Lastrichtungen.
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Wenn die Halterung der Spindel einerseits eine drehbar gelagerte Aufnahme und andererseits eine antriebsmäßig mit dem Antriebsmittel gekoppelte Aufnahme aufweist, kann die Spindel zwischen diesen beiden Aufnahmen eingespannt werden und von dem Antriebsmittel in Drehung versetzt werden. Die Kugelmutter dreht sich bei dieser Ausführung nicht. Wenn die drehbar gelagerte Aufnahme der Halterung ein Führungsdorn ist, kann in besonders einfacher Weise eine als zahnstangenartiges Getriebeelement ausgebildete Spindel einer Kraftfahrzeuglenkung aufgespannt werden. Vorzugsweise ist der Führungsdorn mit dem Drehwinkelaufnehmer gekoppelt und gegenüber dem Antriebsmittel angeordnet.
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Die Halterung der Kugelmutter weist bevorzugt einen Spanntopf auf, der die Kugelmutter fest einspannt, wobei der Spanntopf gegenüber der Halterung in Richtung der z-Achse fixiert, jedoch winkelbeweglich gegenüber der z-Achse gelagert ist. Besonders vorteilhaft ist eine kardanische Lagerung. Diese Winkelbeweglichkeit erlaubt der Kugelmutter eine Taumelbewegung um die z-Achse zum Ausgleich von Fluchtungsfehlern zwischen der Achse der Kugelmutter und der Achse der Spindel. Auf diese Weise wird vermieden, dass ein zu kleines Axialspiel gemessen wird.
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Das Vorspannmittel bewirkt eine Vorspannung der Kugelmutter in Richtung der z-Achse, und zwar sowohl in positiver als auch in negativer z-Richtung. Es weist vorzugsweise einen Antrieb und ein zwischen dem Antrieb und dem Spindeltrieb eingeschaltetes Federmittel auf. Das Federmittel baut die axiale Vorspannkraft auf, während der Antrieb die Vorspannung über den Verfahrweg der Kugelmutter bei einer Messung nachführt.
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Besonders günstige Messverhältnisse ergeben sich, wenn die Halterung der Kugelmutter mit dem wenigstens einen Wegaufnehmer und dem Vorspannmittel gekoppelt ist. Vorzugsweise sind zwei Wegaufnehmer vorgesehen, die mit der Halterung oder dem Spanntopf verbunden sind und die sich bezüglich der z-Achse etwa gegenüber liegen. Eine Taumelbewegung der Kugelmutter führt zu einer Überlagerung des Signals eines Wegaufnehmers mit der Taumelbewegung. Wenn zwei Wegaufnehmer vorgesehen sind, können derartige Überlagerungen rechnerisch eliminiert werden.
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Es wird ein Verfahren zur Prüfung eines Kugelgewindetriebs vorgeschlagen, bei dem folgende Schritte vorgesehen sind:
Einspannen der Kugelmutter in eine Halterung, Einspannen der Spindel in eine Halterung, die eine antriebslos drehbare und eine antreibbare Aufnahme umfasst, Vorspannen der Kugelmutter in z-Richtung gegen die Spindel, Verfahren der Kugelmutter gegenüber der Spindel durch angetriebene Rotation der Kugelmutter oder der Spindel um die z-Achse unter Aufrechterhaltung der Vorspannung sowie Aufnehmen der Position der Kugelmutter relativ zu der Spindel in z-Richtung und gleichzeitiges Aufnehmen der relativen Winkelposition. Auf diese Weise kann mit dem Verfahren das Axialspiel des Kugelgewindetriebs über die gesamte nutzbare Länge ermittelt werden.
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Vorzugsweise wird bei dem Verfahren die Spindel in Rotation versetzt während die Kugelmutter drehfest gehalten ist. Der mit Kugelgewinde versehene Teil der Spindel wird vorzugsweise vollständig in beide Drehrichtungen der Kugelmutter abgefahren. Das Flankenspiel wird vorzugsweise in beide Lastrichtungen gemessen, wobei die Richtung der Vorspannung der Kugelmutter bei dem Wechsel der Rotationsrichtung der Gewindespindel ebenfalls gewechselt wird. Dabei kann entweder so verfahren werden, dass die Vorspannung bei beiden Rotationsrichtungen in Bewegungsrichtung der Kugelmutter aufgebracht wird, oder dass die Vorspannung bei beiden Rotationsrichtungen der Spindel immer gegen die Bewegungsrichtung wirkt. Im ersten Fall wird von einer schiebenden Vorspannung gesprochen, im zweiten Fall von einer ziehenden Vorspannung. Es ergeben sich Unterschiedliche Messergebnisse, aus deren Vergleich sich auf die Oberflächenqualität schließen lässt. Für eine besonders aussagekräftige Prüfung werden beide Messungen durchgeführt.
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Bei der Auswertung werden vorzugsweise die Messwerte des Drehwinkelaufnehmers in Relation zu den Messwerten des wenigstens einen Wegaufnehmers gesetzt, so dass sich eine Messkurve über den gesamten nutzbaren Bereich ergibt. Es werden vorzugsweise die Differenzen der Messwerte des wenigstens einen Wegaufnehmers an gegebenen Drehwinkelpositionen in beiden Lastrichtungen erfasst. Zur Auswertung können dann die Maximalwerte und/oder das Integral der Differenzen zur Beurteilung der Fertigungsqualität des Kugelgewindetriebs herangezogen werden.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt:
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1: Eine Vorrichtung zur Prüfung eines Kugelgewindetriebs in einer schematischen Darstellung in einem Längsschnitt entlang der z-Achse.
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Die 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Prüfung eines Kugelwindetriebs in einem Längsschnitt entlang der z-Achse. Die z-Achse ist in der Praxis vorzugsweise vertikal angeordnet, um einen Einfluss der Gravitation quer zur z-Achse auszuschließen.
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Die Vorrichtung ruht auf einem Sockel 1, der über einen nicht dargestellten Rahmen auch die anderen Komponenten der Vorrichtung stützt. Im Einzelnen ist die Vorrichtung mit einer oberen drehbaren Aufnahme 2 für eine Gewindespindel 3 ausgestattet. Die Aufnahme 2 ist mit einem Antriebsmotor 4 zur Drehung um eine z-Achse Z gekoppelt. Das gegenüberliegende, untere Ende der Gewindespindel 4 ist auf einen Führungsdorn 5 aufgesetzt, der drehbar um die z-Achse auf einem Winkelaufnehmer 6 gelagert ist.
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Die Vorrichtung umfasst weiter eine Halterung 7 für eine Kugelmutter 8. Die Halterung 7 ist aus mehreren Bauelementen zusammengesetzt. Sie umfasst eine Sockelplatte 10 und Führungselemente 11. Zwischen den Führungselementen ist ein Spanntopf 12 über mehrere Schwenklager 13 kardanisch gelagert. Der Spanntopf 12 ist mit einer oberen Verschlussplatte 14 versehen, die die Kugelmutter 8 fest gegen eine untere umlaufende Fase 15 drängt. Die Führungen 11 sind selbst auf senkrechten, auf dem Sockel 1 befestigten Führungsstangen 16 parallel zur z-Achse verschieblich gelagert. Zwei Wegaufnehmer 17 erfassen die Positionen des Spanntopfs 12 linear in Richtung der z-Achse. Die Wegaufnehmer 17 sind von der Bauart her an sich bekannt. Sie weisen bevorzugt eine lineare Auflösung von etwa 0,01 mm auf.
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Unterhalb der Trägerplatte 10 sind Aktuatoren 18 vorgesehen, die an dem Sockel 1 befestigt sind und die über geeignete Druck- und Zugmittel 19 eine möglichst konstante Kraft über die Platte 10, die Führungen 11, die Lager 13 und den Spanntopf 12 auf die Kugelmutter 8 ausüben. Die konstante Kraft kann wahlweise in positiver oder negativer z-Richtung aufgebracht werden. In der 1 ist die positive z-Richtung nach oben gerichtet, die negative z-Richtung ist nach unten gerichtet.
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Eine Datenerfassungseinrichtung zeichnet die Messwerte des Drehwinkelgebers 6 und der Wegsensoren 17 während des Betriebs auf. Diese Datenerfassungseinrichtung ist nicht dargestellt. Sie steuert bevorzugt auch die gesamte Vorrichtung.
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Bei der Verwendung der insoweit beschriebenen Vorrichtung zur Messung des Axialspiels des Kugelgewindetriebs, der die Gewindespindel 3 und die Kugelmutter 8 sowie die in der 1 nicht dargestellten Kugeln umfasst, wird zunächst die Kugelmutter 8 in den Spanntopf 12 eingesetzt. Sodann wird die Gewindespindel 3 in die Kugelmutter 8 eingespindelt und danach zwischen den Führungsdorn 5 und die Aufnahme 2 eingespannt. Der Führungsdorn 5 und die Aufnahme 2 sind so gestaltet, dass die Gewindespindel zu der z-Achse zentriert ist.
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Die Kugelmutter 8 wird in den Spanntopf 12 durch Anziehen des Deckels 14 eingespannt, wobei sie sich durch Anlage an die Fase 15 gegenüber der Spindel 3 zentriert. Eventuelle Fluchtungsfehler zwischen der Längsachse der Kugelmutter 8 und der Gewindespindel 3 werden durch die Lagerung 13 ausgeglichen. Die Kugelmutter 8 befindet sich zu Beginn eines Messvorgangs an ihrer äußersten unteren Position, in der 1 in der Extremstellung in negativer z-Richtung.
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Über die Aktuatoren 18 und die Kraftübertragungsmittel 19 wird zu Beginn eines Messvorgangs eine axiale Vorspannung über die Platte 10 auf die Kugelmutter 8 gegeben. Sodann wird über den Antriebsmotor 2 die Spindel 3 in Rotation um die z-Achse versetzt. Die Kugelmutter 3 bewegt sich folglich in Richtung positiver z-Richtung, in der 1 nach oben. Die Daten des sich mitdrehenden Führungsdorns 5, der den Winkelgeber 6 antreibt, werden von einer Datenerfassungseinrichtung simultan zu den Daten der Wegaufnehmer 17 aufgezeichnet, so dass eine Messwertreihe für den Weg in z-Richtung in Abhängigkeit von dem Drehwinkel entsteht. Über den gesamten möglichen Verfahrweg wird die Halterung 7 an den Führungsstangen 16 spielfrei geführt. Ebenso wird über den gesamten Verfahrweg von den Aktuatoren 18 die Vorspannung in z-Richtung konstant gehalten. Hier kommen als Aktuatoren beispielsweise Spindeltriebe in Frage, die über Druck- oder Zugfedern mit der Platte 10 gekoppelt sind, zum Einsatz. Es ist auch möglich, pneumatische oder hydraulische Aktuatoren vorzusehen.
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In positiver z-Richtung wird also zunächst die Kugelmutter 8 über die Drehung der Gewindespindel 3 von unten nach oben verfahren und dabei das Signal der Wegaufnehmer 17 in Abhängigkeit von dem Signal des Drehwinkelgebers 6 aufgezeichnet. Die Vorspannung der Aktuatoren 18 kann dabei in positiver z-Richtung oder in negativer z-Richtung aufgebracht werden, so dass die Kugeln, die den mechanischen Kraftschluss zwischen der Spindel 3 und der Kugelmutter 8 bewirken, gegen die obere oder die untere Flanke des Kugelgewindes der Spindel 3 gedrängt werden. Nach dem die Kugelmutter 8 in Ihrer Endstellung in positiver z-Richtung, in der 1 also oben, am Ende des Kugelgewindes angekommen ist, wird die Drehrichtung des Antriebsmotors 4 umgekehrt, so dass sich die Spindel in der entgegen gesetzten Richtung um die z-Achse dreht. Gleichzeitig wird die Vorspannung, die durch die Aktuatoren 18 aufgebracht wird, umgekehrt. Vorzugsweise bleibt der Betrag der Vorspannkraft erhalten, die Richtung wechselt. Dadurch wird die jeweils andere Flanke des Kugelgewindes mit der Vorspannung beaufschlagt. Die Kugelmutter 8 wandert in negativer z-Richtung, in der 1 also nach unten. Wieder werden die Signale der Wegaufnehmer 17 in Abhängigkeit von dem Signal des Drehwinkelgebers 6 aufgezeichnet.
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Es ergibt sich ein vollständiger Datensatz über die Abhängigkeit der Axialposition der Kugelmutter 8 in z-Richtung gegenüber dem Drehwinkel der Spindel 3 an beiden Flanken des Kugelgewindes und deshalb in beiden möglichen Lastrichtungen.
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Das Axialspiel in z-Richtung ist dann in einer beliebigen Drehwinkelposition der Gewindespindel 3 als Differenz der Signale der Wegaufnehmer 17 in der einen und in der anderen Messrichtung ermittelbar. Weil der vollständige Datensatz über den gesamten Verfahrweg der Kugelmutter 8 auf dem Kugelgewinde der Spindel 3 vorliegt, kann das Vorliegen eines maximalen Axialspiels an einer beliebigen Position ermittelt werden. Es kann ebenso über den gesamten Verfahrweg die Summe der Differenzen der Wegaufnehmersignale berechnet werden, die dann ein Integral des Axialspiels ergibt. Diese Werte, oder auch andere geeignete Auswerteverfahren, geben eine Information über die Qualität des Kugelgewindetriebs und indirekt auch über den Zustand der Produktionsanlagen an.
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Während hier bevorzugt eine Vorrichtung und ein Verfahren beschrieben werden, bei denen die Spindel eine Drehung um die Z-Achse ausführt und die Kugelmutter die entsprechende Linearbewegung ausführt, sind auch Verfahren und Vorrichtungen denkbar, bei denen die Kugelmutter rotiert und entweder die Kugelmutter selbst oder die Spindel die entsprechende Linearbewegung ausführt, die dann vermessen wird. In beiden Fällen ergibt sich ebenfalls ein Satz von Messwerten, die die gewünschte Information (Drehwinkel zur Linearposition) enthält. Der apparative Aufwand zur Erzielung einer hinreichenden Messgenauigkeit ist allerdings aus derzeitiger Sicht größer.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2004/034010 A1 [0005]
- DE 10316940 A9 [0006]
