DE10254692A1

DE10254692A1 - Verfahren zur Montage und Justierung von Teilen unter Vorspannung zueinander

Info

Publication number: DE10254692A1
Application number: DE10254692A
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Ing. Ebert (FH); Thomas Dipl.-Ing. Israel (FH); Arndt Schlösser; Alfred Dipl.-Ing. Volker; Axel Dipl.-Ing. Wisotzky (FH)
Original assignee: AS TECH INDUSTRIE- und SPANNHYDRAULIK GmbH; TECH IND und SPANNHYDRAULIK GM; DaimlerChrysler AG
Current assignee: As Tech Industrie- und Spannhydraulik 52 De GmbH; Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-11-23
Filing date: 2002-11-23
Publication date: 2004-06-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Montage von Teilen unter Vorspannung zueinander, bei dem zwischen die Teile ein plastisch verformbares Vorspannelement eingebracht wird, die Teile unter Längenreduktion des Vorspannteils relativ aufeinanderzu bewegt werden, die Teile gegeneinander verspannt werden und die Teile in verspannter Lage zueinander fixiert werden. Bei dem Verfahren wird bei der Relativbewegung die Längenänderung und/oder die aufgewandte Kraft gemessen, die Längenreduktion über die plastische Verformung des Vorspannteils, insbesondere einer Stauchhülse, bis hin zu einem erneuten signifikanten Anstieg im Kraft-Weg-Diagramm vorgenommen, der Knickpunkt zwischen erneutem Anstieg und plastischer Verformung ermittelt, der Knickpunkt auf eine Lage eines Knickpunkt-Kraft-Weg-Fensters überprüft und bei Erreichung zumindest des Knickpunktes die Teile relativ zueinander fixiert.

Description

Ein Verfahren zur Montage von Teilen unter Vorspannung zueinander, bei dem die Teile entlang einer Raumrichtung aufeinander zubewegt, gegeneinander verspannt und in verspannter Lage zueinander fixiert werden, wie es bspw. bei der Anstellung von Kegelrollenlagern einer Ritzelwelle eines Antriebachsgetriebes erfolgt.
So ist es bspw. bei der Anstellung von Kegelrollenlagern einer Ritzelwelle eines Antriebachsgetriebes notwendig diese mit einer definierten Lagervorspannung gegenseitig zu verspannen, da durch diese definierte Lagervorspannung optimale Betriebsbedingungen und eine möglichst lange Lebensdauer sichergestellt ist. Bislang erfolgt diese Einstellung indirekt durch die Ermittlung des Reibwertes der Lagerung oder über eine Kraft-Weg-Messung. Die Ergebnisse dieser indirekten Meßmethoden unterliegen einer breiten statistischen Verteilung (Streuung), weshalb sie recht ungenau sind. Hierdurch kann die reale Vorspannung nur innerhalb einer hohen Schwankung eingestellt werden. Des weiteren sind diese Methode aufwendig und teuer.

Aus der DE 44 20240 A1 ist eine Spannscheibe mit Stauchhülsen bekannt, die eine optische Anzeige der Schraubenanzugskraft aufweist. Bei dieser Spannscheibe sind um den Schraubenschaft zwei topfartige Unterlegscheiben angeordnet, deren Öffnungen aufeinander zu weisen. Zwischen den Basisflächen der Unter legscheiben sind konzentrisch zur Schraubenachse Stauchhülsen angeordnet, die bei einer Bewegung der Unterlegscheiben aufeinander zu in Richtung der Bewegung gestaucht werden. Die Stauchung erfolgt so lange, bis die beiden offenen Ränder der beiden Unterlegscheiben aufeinanderliegen. Die Vorspannkraft entspricht damit der Kraft, die für die Stauchung der Stauchhülsen bei anliegenden Rändern aufgebracht werden musste.

Eine derartige Vorgehensweise weist jedoch eine geringe Flexibilität auf, da die einstellbare Verspannkraft ausschließlich auf den Wert beschränkt ist, der durch die Anlage der beiden Ränder der Unterlegscheibe aneinander festgelegt ist. Zum gegenseitigen Verspannen zweier Lager, wie oben beschrieben, ist diese Vorrichtung ungeeignet, da hier zuerst ein Setzmaß ausgeglichen werden muss, bevor die eigentliche Vorspannung aufgebracht wird.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu entwickeln, das ein hohes Maß an Flexibilität aufweist, so dass es insbesondere auch bei gegeneinander verspannten Lagern verwendbar ist und mit dessen Hilfe die Reproduzierbarkeit der Vorspannung der Teile gegeneinander verbessert ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren mit den Verfahrensschritten des Anspruchs 1 gelöst. Durch die Verwendung einer Stauchhülse zwischen den beiden Teilen sowie deren beanspruchte Verformung, kann die Vorspannung innerhalb geringer Toleranzen mit einer guten Reproduzierbarkeit vorgenommen werden. Das plastisch verformbare Zwischenelement ist hierbei sinnvollerweise so ausgelegt, dass die Teile im montierten, aber noch nicht vorgespannten Zustand ein Spiel, vorzugsweise ein Axialspiel aufweisen. Die Ermittlung und Einstellung der Vorspannung erfolgt über den Verlauf der elastisch-plastischen Verformung des Zwischenelements beim Eliminieren des Spiels durch die Aufbringung einer Kraft in Bewegungsrichtung, vorzugsweise in Axialrichtung, der beiden Teile aufeinander zu.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen entnehmbar. Im übrigen wird die Erfindung anhand eines in der nachfolgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt
1 einen Ausschnitt eines Antriebachsgetriebes eines Kraftfahrzeuges mit einer mit vorgespannten Kegelrollenlagern gelagerten Ritzelwelle und
2 eine Weg-Kraft-Kennlinie eines Montagevorganges der Ritzelwellenlagerung nach 1.
In 1 ist ein Ausschnitt eines Antriebachsgetriebes 7 eines Kraftfahrzeuges dargestellt, das ein auf einer Welle 8 montiertes Ritzel 9 aufweist. Auf der Welle 8 sind zischen dem Ritzel 9 und einem Zahnrad 10 des Ausgleichgetriebes 11 zwei Kegelrollenlager 12, 13 angeordnet. An der freiliegenden Basisseite des Ritzels 9 ist das Ritzel 9 mit der Welle 8 verschraubt. Zwischen den beiden Kegelrollenlagern 12, 13 ist eine Stauchhülse 1 eingebracht, die im montierten Zustand gestaucht ist, wodurch die beiden Kegelrollenlager 12, 13 gegeneinander vorgespannt sind.
Zur Herstellung dieses Verbundes wird zuerst das erste Kegelrollenlager 12, dann die Stauchhülse 1, anschließend das zweite Kegelrollenlager 13 und zuletzt das Ritzel 9 auf die Welle 8 aufgebracht. Nun wird das Ritzel 9 in Richtung der Rotationsachse der Welle 8 auf das Zahnrad 10 zu bewegt. Um Ungleichheiten und Setzerscheinungen auszugleichen, wird hierbei die Achse 7 und/oder das Ritzel 9 sinnvollerweise um die Rotationsachse der Welle 8 gedreht. Bei dieser Relativbewegung wird die Stauchhülse 1 gequetscht. Die Längenänderung und die aufgewandte Kraft wird gemessen. Die Längenreduktion wird über die plastische Verformung der als Vorspannteil verwendeten Stauchhülse 1 bis hin zu einem erneuten signifikanten Anstieg 3 im Kraft-Weg-Diagramm vorgenommen. Hierbei wird der Knickpunkt 2 zwischen erneutem Anstieg 3 und plastischer Verformung 4 ermittelt.
Nach dem Erreichen des Knickpunktes 2 wird auf das System noch die Kraft eingebracht und/oder um einen bestimmten Weg weiterbewegt, die/der für die Kegelrollenlager 12, 13 vorgeschrieben ist. Danach wird das Ritzel 9 mit der Welle 8 verschraubt Schraube 14), wodurch das System in verspannter Lage fixiert ist.
Bei Erreichen des Knickpunktes 2 wird seine Lage innerhalb eines Knickpunkt-Kraft-Weg-Fensters überprüft. Anschließend wird das weitere Kraft-Weg-Diagramm bis zu einem virtuellen Endpunkt extrapoliert. Hierdurch kann ein virtueller Endpunkt ermittelt werden, der ebenfalls auf seine Lage innerhalb eines vorgebbaren Endpunkt-Kraft-Weg-Fensters überprüft werden kann..
Der reale Endpunkt 5 wird zweckmäßigerweise auf seine Lage innerhalb des End-Kraft-Weg-Fensters überprüft wird. Liegt er außerhalb dieses Fensters, handelt es sich um ein Ausschussteil.
Zum Schutz ist es ferner sinnvoll, die Längenreduktion bei Erreichen eines Sicherheitspunktes 6, der nach einem maximal zulässigen Endpunkt 5 angeordnet ist, abzuschalten.
Die Ermittelung des Knickpunktes 2 kann bspw, aus dem Kraft-Weg-Diagramm ermittelt werden. Am Knickpunkt 9 erfolgt im vorliegenden Diagramm (siehe 2) ein erneuter Anstieg 3 der aufzuwendenden Kraft. Eine weitere, ggf. ergänzende Methode ist die Steigung der Kurve zu betrachten und die aus der Kurvendiskussion bekannten mathematischen Methoden anzuwenden.
Das Verfahren kann sowohl zur manuellen als auch zur automatisierten Montage verwendet werden.
Bei der manuellem Montage wird ein Handwerkzeug verwendet, das auf hydraulischem Wege die Vorspannkraft rein axial und reibungsfrei erzeugt. Die Druckansteuerung erfolgt automatisch mittels einer Steuereinheit, die von dem Werker aktivierbar ist. Zur Sicherheit weist dieses Werkzeug noch einen Notaus-Schalter auf. Zur Montage des Ritzels 9 gemäß 1 wird die Kolbenfläche des das Kitzel 9 in Richtung des Zahnrades 10 bewegenden Kolben derart ausgelegt, dass maximal eine Kraft von 1600 bar erzeugt wird.
Damit die manuelle Montage erleichtert ist, beträgt das Gewicht des Werkzeuges sinnvollerweise maximal 5 kg. Damit das Werkzeug bei verschiedenen Gewinden verwendbar ist, weist es zweckmäßigerweise ein auswechselbares Zugelement auf, das auswechselbar ist und dadurch dem jeweiligen Gewinde angepasst werden kann.
Das Einbringen des Druckmediums erfolgt über einen Drehwinkelanschluß, der günstigerweise auch unter Druck um 360° drehbar ist. Die Verbindung zwischen dem Druckerzeuger und dem Werkzeug erfolgt über Schnellverschlusskupplungen. Dies ermöglicht eine flexible Handhabung des Werkzeuges und eine schnelle Austauschbarkeit der einzelnen Werkzeugkomponenten.
Die Fixierung der Mutter/Schraube 14 wird mit einem Miniaturantrieb vorgenommen und erfolgt ebenfalls automatisch. In günstiger Weise ist dieser Miniaturantrieb und das zugehörige Getriebe im Werkzeug integriert.
Um beim Einbringen der Vorspannkraft bereits ein Setzen der Kegelrollenlager 12, 13 zu gewährleisten, werden die Lager bauteile mit vorzugsweise kontinuierlicher Drehzahl gedreht. Hierdurch werden gleichzeitig eventuelle punktuelle Verformungen der jeweiligen Berührungspartner vermieden.
Ferner ist es sinnvoll, den Antrieb des Werkzeuges so auszulegen, dass der Druck, das Drehmoment, die Drehzahl und ebenso die Drehrichtung verändert werden können.
Zum Drehen der Bauteile weist das Werkzeug einen Getriebemotor auf, der fest mit der Vorrichtung zum Verschrauben der Mutter/Schraube 14 verbunden ist. Diese Vorrichtung kann zur Dokumentation des Druckes, der Drehzahl und des Drehmomentes mit entsprechenden Detektoren und einer zugehörigen Auswerte- und Ausgabeeinrichtung versehen sein.
Zur Montage des Ritzels 9 wird nun das beschriebene Werkzeug über den angeflanschten Getriebemotor angeschraubt. Hierbei muss der Werker lediglich dem beim Einschrauben entstehenden Moment entgegenhalten. Liegt das Werkzeug an, wird die Druckbeaufschlagung gestartet.
Alle Bauteile (Ritzel 9, Kegelrollenlager 12, 13 usw.) werden bei während der Verspannung mittels dem Getriebemotor gedreht. Hierbei kann das Drehen erst beendet werden, wenn die Erforderliche Lagerkraft (Vorspannung 15) eingebracht ist.
Durch die schon erwähnte Druckbeaufschlagung wird das vormontierte Lagerpaket axial, d.h. in Richtung der Rotationsachse der Welle 8 gedrückt. Die zwischen den Lagern angeordnete Stauchhülse 1, die an den inneren Stirnseite der Kegelrollenlager 12, 13 und deren auf der Antriebswelle direkt angeordnetem Ring anliegt, ist sinnvollerweise so ausgelegt, dass vor Aufbrauch des Axialspiels eine plastische Verformung auftritt. Die Stauchhülse 1 wird zunächst im elastischen Bereich 16 verformt, wobei der Druck bis zu einem Maximalwert entsprechend der Summe aus benötigter Verschiebekraft und Verformungskraft der Stauchhülse 1 zunächst kontinuierlich zu nimmt (siehe Diagramm 2). Ist der plastische Bereich 4 erreicht, fällt der Druck entsprechend der Kennlinie der Stauchhülse 1 leicht ab, bis kein Axialspiel mehr vorliegt. In dem plastischen Bereich 4 ist es hierbei von Vorteil, mit dem Drücken, also einem Kolbenvorschub, aufzuhören, bis kein Druckabfall mehr auftritt. Dadurch kann in leichter Weise insbesondere der Knickpunkt 2 erkannt werden, da hier der plastische Bereich 3 und damit das Axialspiel zu Ende ist.
Nachdem das Axialspiel in der Lagerung vollständig aufgebraucht ist, findet erstmals ein Kraftfluss über die Kegelrollenlager 12, 13 im Lagepaket statt. Nach diesem Knickpunkt 2 wird nun weitergedrückt, bis die vorgegebene Vorspannkraft 15 für die Kegelrollenlager 12, 13 erreicht ist. Diese Kraft wird voreingestellt und zu dem Verformungsdruck hinzuaddiert, der zur Eliminierung des Axialspiels erforderlich ist. Die so eingebrachte Lagerkraft, also die Vorspannung 15 ist reibungsunabhängig und kann mit beliebig gewählten Bauteilen ohne Vorauswahl sehr genau erzielt werden.
Nach Erreichen der gewünschten Vorspannung wird die Drehung der Bauteile beendet. Gleichzeitig wird die Mutter/Schraube 14 bis zur Anlage eingedreht. Danach wird der Druck abgestellt, wodurch nun auf der Schraube 14 der zuvor vorgehaltene Druck anliegt. Zuletzt wird das Werkzeug mittels des angeflanschten Getriebemotor ausgeschraubt.
Die beschriebene manuelle Montage ist insbesondere sowohl bei einer bandgestützten Montage als auch bei Servicearbeiten zum Nachstellen der Lagerspannung verwendbar
Bei der automatisierten Erstmontage wird das vormontierte und noch nicht verspannte Werkstück in einer Maschine eingelegt. Hierbei sind zwei Fälle zu unterscheiden. Zum einen kann die Anordnung bereits mit dem Ausgleichsgetriebe 11 der Achse 7 verbunden sein, zum anderen kann die Welle 8 noch von beiden Stirnseiten (Zahnrad 10 oder Ritzel 9) frei zugänglich sein.
In der nachfolgenden Beschreibung wird nur auf den ersten Fall eingegangen, da die hier herrschenden Gegebenheiten in einfacher Weise auf den zweiten Fall (u.a. Montage von der Zahnradseite 10) übertragen werden können.
Auf in die Maschine eingelegte Werkstück wird ritzelseitig ein Montageschlitten mit einer hydraulischen Schlitteneinheit im Eilgang zu bewegt. Die Schlitteneinheit wird über ein Proportionalventil, das eine analoge elektrische Spannung liefert, angesteuert. Nach einem vorgegebenen Weg, der mittels eines Nockenschalters überwachbar ist, wird die Schlitteneinheit auf Schleichgang umgeschaltet. Um Setzungserscheinungen zu kompensieren, wird das Werkstück in Rotation gebracht. Der weitere Kraftanstieg wird über eine herkömmliche Kraft-Weg-Messelektronik aufgenommen und überwacht. Die Kraft-Weg-Messelektronik liefert eine proportional mit der Kraft ansteigende elektrische Spannung an die Hydraulik-Ansteuerung. Erreich diese Kraft eine weitere Kraftmarke, die vor dem Knickpunkt angeordnet ist, wird der Schleichgang noch weiter verlangsamt.
Im weiteren Verlauf erkennt die Messelektronik in einem programmierten Kraft-Weg-Fenster eine Knick, der dem Knickpunkt 2 entspricht. An diesem Punkt ist die Stauchung der Stauchhülse 1 beendet. Von nun an wirkt ein weiterer Kraftanstieg auf den Lagerverbund 12, 13. Deshalb wird ein in der Elektronik fest abgelegter Kraftoffsetwert zu der bis zum Knickpunkt ermittelten Kraft hinzuaddiert und der Endabschaltpunkt berechnet. Dieser Offsetwert, d.h. die hierzu gehörige Kraft, entspricht der vom Lagerhersteller vorgegebenen optimalen Lagervorspannkraft 15.
Im weiteren Verlauf wird die Kraftanstiegsrampe der Schlitteneinheit flacher gehalten. Der ermittelte Abschaltpunkt wird über ein Endpunkt-Kraft-Weg-Fenster erfasst. Ist der Endpunkt 5 erreicht, wird die hier anliegende Kraft der Schlitteneinheit aufrechterhalten, und die Mutter/Schraube 14 bis zu ihrer Anlage angeschraubt. Nach dem Anschrauben wird die Schlitteneinheit zurückgefahren.
Zur anschließenden Qualitätskontrolle wird noch der Reibwert der Lagerung ermittelt. Ist der innerhalb des vorgeschriebenen Toleranzbereiches wird das fertige Werkstück aus der Maschine entnommen. Ausschussteile werden ausgesondert.
Obwohl die Erfindung im Speziellen nur anhand einer Welle 8 einer Achse mit Ausgleichsgetriebe 11 beschrieben ist, kann sie in einfacher Weise auch auf sonstige Lagerungen oder Teile, die unter einer definierten Vorspannung miteinander verbunden werden müssen, übertragen werden. Daher werden derartige Baugruppen auch von dem erfindungsgemäßen Verfahrensanspruch umfasst. Dies gilt insbesondere für Getriebeteile und hierbei vorzugsweise von Schalt oder Automatikgetrieben.

Claims

Verfahren zur Montage von Teilen unter Vorspannung zueinander, bei dem zwischen die Teile eines plastisch verformbares Vorspannelement eingebracht wird, die Teile unter Längenreduktion des Vorspannteils relativ aufeinander zu bewegt werden, die Teile gegeneinander verspannt werden und die Teile in verspannter Lage zueinander fixiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Relativbewegung die Längenänderung und/oder die aufgewandte Kraft gemessen wird, dass die Längenreduktion über die plastische Verformung des Vorspannteils, insbesondere einer Stauchhülse (1), bis hin zu einem erneuten signifikanten Anstieg im Kraft-Weg-Diagramm vorgenommen wird, dass der Knickpunkt (2) zwischen erneutem Anstieg (3) und plastischer Verformung (4) ermittelt wird und dass bei Erreichung zumindest des Knickpunktes (2) die Teile relativ zueinander fixiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Knickpunkt (2) auf eine Lage eines Knickpunkt-Kraft-Weg-Fensters überprüft wird und
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Lage des Knickpunktes (2) innerhalb des Knickpunkt-Kraft-Weg-Fensters die Längenreduktion noch um eine. vorgebbare Kraft und/oder ein vorgebbaren Weg bis zum Endpunkt (5) weitergeführt wird
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Lage des Knickpunktes (2) innerhalb des Knickpunkt-Kraft-Weg-Fensters das weitere Kraft-Weg-Diagramm bis zu einem virtuellen Endpunkt extrapoliert wird und dass der virtuelle Endpunkt auf seine Lage innerhalb eines vorgebbaren End-Kraft-Weg-Fensters überprüft wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der reale Endpunkt (5) auf eine Lage innerhalb des Endpunkt-Kraft-Weg-Fensters überprüft wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längenreduktion bei Erreichen eines Sicherheitspunktes (6), der nach einem maximal zulässigen Endpunkt angeordnet ist, abgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längenreduktion hydraulisch vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidsteuerung zur Längenreduktion mittels eines Propertionalventils vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Anstieg der Kraft eine proportionale elekt rische Spannung erzeugt wird, dass mittels der Spannung die Geschwindigkeit der Längenreduktion gesteuert wird, dass bei Erreichen des Endpunktes (5) die Kraft der Längenreduktion aufrechterhalten und eine relative Fixierung der Teile zueinander aktiviert wird, und dass nach erfolgter Fixierung die Kraft vorzugsweise auf Null reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei während und/oder vor der Längenreduktion die Teile vorzugsweise um die Achse der Richtung der Längenreduktion relativ zueinander gedreht werden.
Verwendung eines Verfahrens nach Anspruch 1, zur Montage von Getriebeteilen, insbesondere von Schalt-, Automatik- oder Ausgleichsgetrieben.