DE10035340B4

DE10035340B4 - Verfahren zum dynamischen rechnergesteuerten Auswuchten einer Welle

Info

Publication number: DE10035340B4
Application number: DE10035340A
Authority: DE
Inventors: Gary Edward Shelby Township Kopp; George Elliot Belleville Leposky; Todd Daniel Westland Freeman
Original assignee: Ford Motor Co
Current assignee: Automotive Components Holdings LLC
Priority date: 1999-08-02
Filing date: 2000-07-20
Publication date: 2005-02-10
Anticipated expiration: 2020-07-21
Also published as: DE10035340A1; US6303896B1; JP2001074585A; GB2356030A; GB0016170D0; GB2356030B

Abstract

Verfahren zum dynamischen rechnergesteuerten Auswuchten einer Welle, bei welchem die Welle (10) zur Festlegung einer simulierten Drehachse zwischen zwei Halterungen (Spannzangen 22, 24) angeordnet und mit einer vorgewählten Drehzahl gedreht, während dieser Drehung die Größe und die Winkelausrichtung einer Unwucht der Welle (10) mittels Sensoren (40, 41) an jedem der beiden Wellenenden (10a, 10b) ermittelt und die Unwucht mit einem Laserstrahl durch wiederholte punktuelle Materialentfernung an einer an jedem Wellenende (10a, 10b) vorgesehenen Flanschausbildung (Flansch 12,14) abwechselnd oder gleichzeitig bis zum Erreichen eines für den Rundlauf der Welle (10) vorgewählten Toleranzbereiches vorgenommen wird, wobei der Laserstrahl durch das Leiterende eines mit Glasfilamenten ausgebildeten Lichtleiters (62, 64) parallel zu der simulierten Drehachse der Welle (10) gegen eine zu der Drehachse senkrechte Auftrefffläche (12a, 14a) jeder Flanschausbildung (Flansch 12, 14) ausgerichtet wird.

Description

Zum Auswuchten insbesondere einer Antriebswelle bei einem Kraftfahrzeug ist es üblich, die Welle mit einer vorgewählten Drehzahl zu drehen und während der Drehung die Größe und den Ort einer Unwucht der Welle zu messen. Wenn die Messung beendet ist, dann wird die Drehung der Welle angehalten und es wird an dem für die Unwucht ermittelten Ort eine zusätzliche Masse angebracht, um damit die Unwucht zu verringern. Die ausgewuchtete Welle wird dann erneut auf die vorgewählte Drehzahl gebracht für ein wiederholtes Messen einer dann noch vorhandenen restlichen Unwucht, worauf die Welle dann wieder angehalten und eine weitere Masse an der Welle angebracht wird. Diese Folge von aufeinanderfolgenden Messungen und einem jeweils anschließenden Anbringen einer weiteren Masse wird solange wiederholt, bis die ausgewuchtete Welle innerhalb einen vorgewählten Toleranzbereich fällt. Dieses bekannte Auswuchten einer Welle ist ersichtlich sehr zeitaufwändig und ergibt für das Produkt eine beträchtliche Kostenerhöhung.

Aus DE 27 05 217 A1 ist ein Verfahren zum dynamischen Auswuchten eines Rotors unter Verwendung eines Impulslaserstrahles bekannt, der von einem Laseroszillator erzeugt und unmittelbar auf wenigstens eine integrierte seitliche Endfläche des drehenden Rotors ausgerichtet wird. Im Strahlengang des Lasers ist für eine Bündelung der Laserstrahlen ein Kondensorsystem angeordnet, das mit wenigstens einer Kondensorlinse ausgebildet und optimal mit reflektierenden Spiegeln ergänzt ist. Die Einbeziehung solcher reflektierender Spiegel in das Kondensorsystem soll dabei auch eine Weiterleitung der mit den Kondensorlinsen gebündelten Laserstrahlen an eine zu einer integrierten ersten seitlichen Endfläche des Rotors axial gegenüberliegende zweite Endfläche ermöglichen, um mit den Laserstrahlen gleichzeitig oder auch aufeinanderfolgend verschiedene Materialentfernungen an dem Rotor durchzuführen, für den während einer vorhergehenden Drehung bei einer vorgewählten Drehzahl die Größe und die Winkelausrichtung einer Unwucht mittels Sensoren ermittelt wurde. Die integrierten seitlichen Endflächen des Rotors werden dabei jedoch nicht als die ausschließlich bevorzugten Orte für die bis zum Erreichen eines vorgewählten Toleranzbereiches während eines Rundlaufes der Welle punktuelle durchgeführten Materialentfernungen berücksichtigt, vielmehr wird dafür bsp. auch die Umfangsfläche des Rotors als weitere Alternative in Betracht gezogen und wird schließlich auch angegeben, dass jede Materialentfernung punktuell verknüpft werden sollte mit einem gleichzeitigen Anblasen jeder Kontaktstelle der Laserstrahlen mit Sauerstoff, um auf diese Weise eine rasche Oxidation des von dem Rotor abzutragenden Metalls zu erhalten.

Eine mit diesem bekannten Verfahren übereinstimmende und ersichtlich relativ aufwändige Anwendungstechnik ist daneben auch bekannt aus DE 39 18 618 C2 sowie auch aus US 4 037 076 , wobei dort jedoch der Hinweis auf ein gleichzeitiges Anblasen der Kontaktstellen des Laserstrahls mit Sauerstoff nicht aufgenommen ist. Die gleiche Technik wurde auch bereits für die Bearbeitung von Kurbelwellen gemäss JP 60116944 A (Abstract) und JP 60114735 A (Abstract) angewandt. Aus DE 41 33 787 A1 ist außerdem ein Verfahren zum Auswuchten von elastischen Rotoren auf dafür eingerichteten kraftmessenden Auswuchtmaschinen bekannt, bei dem zwei Messstellen an den beiden Lagerenden des Rotors und wenigstens eine weitere Messstelle zur Ermittlung von Unwuchten in wenigstens drei Ausgleichsebenen bei unterschiedlich vorgegebenen Drehzahlen vorgesehen werden, um in Abhängigkeit von somit wenigstes drei Unwuchtmesswerten in solchen mehrfa chen Ausgleichsebenen die korrespondierenden Ausgleichsmassen an dem Rotor für eine Kompensierung eines wellenelastischen Verhaltens des Rotors anzubringen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein dynamisches Auswuchten einer Welle ein rationelleres Verfahren bereitzustellen, das sich insbesondere zur Anwendung bei Hohlwellen, wie bsp. einer Antriebswelle bei einem Kraftfahrzeug, eignet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Verfahren, welches die Merkmale des Patentanspruches 1 aufweist. Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens ist im Anspruch 2 angegeben.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit für das Auswuchten einer Welle eine punktuelle Materialentfernung an Hilfsflächen vorgenommen, die für die beiden Wellenenden vorgesehen sind und die doppelte Funktion erfüllen, nicht nur bei der Ermittlung einer Unwucht während einer Drehung der Welle mitzuwirken, sondern auch bestimmend zu sein für einen letztlich gewünschten Rundlauf der Welle, der mit einer rechnergesteuerten Hinführung eines Laserstrahls zu den Kontaktstellen von solchen Hilfsflächen angestrebt wird. Die Einbeziehung der Hilfsflächen ist dabei insbesondere für das Auswuchten von Hohlwellen von besonderer Bedeutung, weil auf diese Weise eine Materialschwächung des eigentlichen Wellenkörpers vermieden wird und daher mit der Wandstärke dieses Wellenkörpers eine Annäherung an die Grenzwerte einer Festigkeitsberechnung ohne Rücksicht darauf angestrebt werden kann, dass bei einer abschließenden Ermittlung von Unwuchten der Welle noch Materialentfernungen einer zuvor unbekannten Größe zu berücksichtigen sind. Das erfindungsgemäße Auswuchten einer Welle ist dabei auch im Umfang eines an solchen Hilfsflächen geübten Arbeitens mit einem Laserstrahl reichlich unkompliziert und lässt ein verhältnismäßig rasches Erreichen eines vorgewählten Toleranzbereiches für die um die simulierte Drehachse gedrehte Welle erwarten, sodass mit der Einhaltung des ent sprechend günstigen Zeitfaktors auch eine vorteilhafte Kostenverringerung erreichbar ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert, die eine Schemadarstellung einer Vorrichtung zum dynamischen Auswuchten einer Welle zeigt.
Die in der Zeichnung schematisch dargestellte Auswuchtvorrichtung 20 ist bsp. zum Auswuchten einer Kardanwelle als Welle 10 für den Hinterradantrieb eines Kraftfahrzeuges eingerichtet, wobei die Welle aus Stahl, Aluminium oder einem anderen Material bestehen kann. Die Welle 10 ist mithin als ein rohrförmiger Körper ausgebildet, der in der Nähe seiner beiden Wellenenden 10a und 10b mit als Ringflansche ausgebildeten Flanschen 12 und 14 versehen ist. Die Wellenenden 10a und 10b sind mit Kreuzzapfen 13 und 15 versehen, mittels welcher die Welle 10 an Spannzangen 22 und 24 oder anderen Halterungen der Auswuchtvorrichtung 20 montiert werden kann. Gleiche Kreuzzapfen werden auch verwendet, um die Welle 10 zwischen dem Getriebe und dem Differential des Hinterradantriebes eines Fahrzeuges anzuordnen, wie es allgemein bekannt ist, sodass bei der Auswuchtvorrichtung 20 die Anordnung der Welle 10 simuliert wird. Diese Simulierung der Anordnung wird dahin erweitert, dass die Welle 10 an der einen Spannzange 22 über eine drehbar gelagerte Welle 26 durch einen Elektromotor 28 gedreht wird, wobei diese Drehung durch eine entsprechend drehbare Lagerung auch der anderen Spannzange 24 über eine zugeordnete Lagerwelle 25 ermöglicht wird. Die beiden Spannzangen 22, 24, die Lagerwellen 25, 26 und der Elektromotor 28 sind an einem Ständer 21 der Auswuchtvorrichtung 20 angeordnet. Diese Anordnung entspricht grundsätzlich derjenigen bei einer bekannten Auswuchtmaschine, die bsp. von der Firma Schenck Turner Inc. mit dem Modell 528 RBRQ angeboten wird.
Die Welle 10 wird durch die beiden Spannzangen 22, 24 mit einer Anordnung festgelegt, welche die Berücksichtigung einer simulierten Drehachse ergibt. Die Welle wird bei eingeschaltetem Elektromotor 28 um diese Drehachse mit einer vorgewählten Drehzahl gedreht, wie dargestellt mit dem Pfeil A, wobei die Drehzahl abgestimmt ist auf einen vorbestimmten Bereich der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeuges, nämlich bsp. einer Geschwindigkeit zwischen etwa 95 und 130 km/h. Bei der Benutzung der Auswuchtvorrichtung wird dann bsp. zuerst eine für das eine Wellenende 10a neben dem Flansch 12 festgestellte Unwucht ausgeglichen und anschließend eine Unwucht, die für das andere Wellenende 10b neben dem Flansch 14 festgestellt wurde.
Für die Beseitigung solcher Unwuchten an den beiden Wellenenden wird die Größe und die Winkelausrichtung jeder Unwucht mittels Sensoren 40 und 41 ermittelt, die an den beiden Wellenenden angeordnet sind. Diese Sensoren sind zur Erfassung von Wellenschwingungen ausgebildet, die durch eine Seitenbelastung der Spannzangen 22, 24 an den Wellenenden erzeugt werden. Die Sensoren erzeugen Spannungssignale, deren Größe mit der Amplitude der Wellenschwingungen übereinstimmt. Mit diesen Spannungssignalen kann in einem angeschlossenen Rechner 50 die Größe und auch die Winkelausrichtung einer maximalen Unwucht an jedem Wellenende berechnet werden, deren Erscheinungsort auch an einem Display 42 mit einer gleichzeitigen Angabe der Größe der Unwucht bsp. in Gramm – Zentimeter zur Abbildung gebracht werden kann. Als Sensoren können bei der Auswuchtvorrichtung 20 die Sensoren übernommen werden, die bei der bekannten Auswuchtmaschine vorhanden sind, jedoch ist deren Übernahme keinesfalls zwingend. Mittels des Rechners 50 wird im übrigen als Bezugsgröße die Drehung der Welle 10 mittels eines Wandlers 32 erfasst, der auf einen Magneten 30 an der Lagerwelle 26 der Spannzange 22 anspricht.
Durch den Rechner 50 wird ein Laser 60 gesteuert, mit welchem ein Laserstrahl punktuell auf die für ein Wellenende ermittelte Unwucht ausgerichtet wird. Die Stromstärke und/ oder die Dauer des Laserstrahls kann dabei durch das Steuersignal des Rechners 50 beeinflusst werden und kann jeweils mit einem festen oder mit einem veränderlichen Wert vorgegeben sein in Abhängigkeit von der Materialmenge, die an dem betreffenden Wellenende zur Beseitigung der Unwucht entfernt werden soll. Das von dem Rechner 50 an den Laser 60 gelieferte Steuersignal wird dabei mit einem Algorithmus erhalten, welcher die Wellenschwingung respektive die mit den Sensoren übersetzten Spannungssignale mit der Größe und der Ausrichtung der ermittelten Unwucht vergleicht und das Ausmaß der Materialentfernung bestimmt, die zur Beseitigung der ermittelten Unwucht benötigt wird. Die punktuelle Lenkung des Laserstrahls wird dabei mit dem Magne ten 30 an der Lagerwelle 26 im Zusammenwirken mit dem Wandler 32 gestuert. Die Anzahl der Drehungen der Welle 10, während welcher eine Materialentfernung von der Welle vorgenommen wird, kann dabei für die Dauer der Materialentfernung verändert werden, sofern nicht mit einer veränderlichen Stärke und Dauer des Laserstrahls gearbeitet wird, sondern stattdessen für den Laserstrahl feste Werte vorgegeben sind. Der Rechner 50 weist zweckmäßig ein integriertes digitales Auslese-Steuersystem auf und ist auf den Algorithmus programmiert, mit welchem die von den Sensoren 40, 41 erhaltenen Spannungssignale abgestimmt werden auf das Ausmaß der Materialentfernung, die für eine Beseitigung von Unwuchten an den Wellenenden durchzuführen ist.
Diese Materialentfernung an den Wellenenden wird speziell an den Flanschen 12 und 14 durchgeführt, gegen welche der von dem Laser 60 erzeugte Laserstrahl über Lichtleiter 62 und 64 ausgerichtet wird. Als Lichtleiter sind Glasfilamente verwendet, welche die von der Lichtquelle des Lasers 60 erzeugten Strahlen hin zu einer seitlichen Auftrefffläche 12a bzw. 14a der Flansche 12, 14 leiten. Das Vorhandensein der Flansche 12, 14 für die mit dem Laserstrahl bewirkte Materialentfernung ist dabei so zu erklären, dass durch die Flansche ein bestimmter Abstand von der Mantelfläche 10c der Welle 10 eingehalten werden kann, sodass mit dem Laserstrahl zum Zeitpunkt der damit bewirkten und mit einer stärkeren Wärmeentwicklung verbundenen Materialentfernung nur an den Flan schen 12, 14 keine Beschädigung der Welle und auch kein Wärmeverzug erhalten wird. Die Flansche 12, 14 können daher auch andere Ausbildungen erfahren, wobei nur wichtig ist, dass die Lichtleiter 62, 64 eine entsprechend präzise Ausrichtung erhalten, die senkrecht zu einer Auftrefffläche und damit parallel zu der simulierten Drehachse der Welle verlaufen muss. Diese Ausrichtung kann mit einer passenden Befestigung der Lichtleiter erhalten werden. Für die Lieferung eines Laserstrahls kann bsp. ein Nd:YAG Laser, ein Kohlendioxidlaser oder jeder beliebig andere Laser verwendet werden, wobei nur Voraussetzung ist, dass der von dem Laser gelieferte Lichtstrahl eine genügende Stärke besitzt, um eine Materialentfernung in dem von dem Rechner 50 gesteuerten Ausmaß durchzuführen.
Um eine Welle 10 an den beiden Wellenenden 10a und 10b auszuwuchten, wird durch den Rechner 50 eine somit automatisch ablaufende Materialentfernung an diesen Wellenenden gesteuert, wobei eine Folge von aufeinanderfolgenden punktuellen Ausrichtungen des Laserstrahls solange wiederholt wird, bis bei einer dafür fortgesetzten Drehung der Welle ein vorgewählter Toleranzbereich für eine dann fertig ausgewuchtete Welle erhalten ist. Dabei versteht sich, dass sich die punktuelle Ausrichtung des Laserstrahls an den Flanschen 12, 14 während dieser Wiederholungen verändern kann und häufig auch verändern wird, wenn bsp. eine vorhandene Unwucht zuerst an dem einen Wellenende und anschließend an dem anderen Wellenende beseitigt wird. Die automatische Steuerung der Auswuchtvorrichtung kann daher alternativ auch so aussehen, dass gleichzeitig an beiden Wellenenden eine Materialentfernung durchgeführt wird, wobei dafür auch mehrere Laserstrahlen eingesetzt werden können, die dann lediglich eine entsprechend mehrheitliche Anordnung von Lichtleitern mit einem Anschluss an eine gemeinsame Lichtquelle eines Lasers erfordern.

Claims

Verfahren zum dynamischen rechnergesteuerten Auswuchten einer Welle, bei welchem die Welle (10) zur Festlegung einer simulierten Drehachse zwischen zwei Halterungen (Spannzangen 22, 24) angeordnet und mit einer vorgewählten Drehzahl gedreht, während dieser Drehung die Größe und die Winkelausrichtung einer Unwucht der Welle (10) mittels Sensoren (40, 41) an jedem der beiden Wellenenden (10a, 10b) ermittelt und die Unwucht mit einem Laserstrahl durch wiederholte punktuelle Materialentfernung an einer an jedem Wellenende (10a, 10b) vorgesehenen Flanschausbildung (Flansch 12,14) abwechselnd oder gleichzeitig bis zum Erreichen eines für den Rundlauf der Welle (10) vorgewählten Toleranzbereiches vorgenommen wird, wobei der Laserstrahl durch das Leiterende eines mit Glasfilamenten ausgebildeten Lichtleiters (62, 64) parallel zu der simulierten Drehachse der Welle (10) gegen eine zu der Drehachse senkrechte Auftrefffläche (12a, 14a) jeder Flanschausbildung (Flansch 12, 14) ausgerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die punktuelle Materialentfernung an der Auftrefffläche (12a, 14a) jeder Flanschausbildung (Flansch 12, 14) der beiden Wellenenden (10a, 10b) mit mehreren, jeweils über einen Lichtleiter (62, 64) zugeführten Laserstrahlen gleichzeitig, abwechselnd oder aufeinanderfolgend zuerst an dem einen Wellenende (10a) und dann an dem anderen Wellenende (10b) vorgenommen wird.