DE69204853T2

DE69204853T2 - Verfahren und vorrichtung zum kontrollieren der merkmale einer nockenwelle.

Info

Publication number: DE69204853T2
Application number: DE69204853T
Authority: DE
Inventors: Franco Danielli
Original assignee: Marposs SpA
Current assignee: Marposs SpA
Priority date: 1991-11-12
Filing date: 1992-11-02
Publication date: 1996-02-15
Anticipated expiration: 2012-11-03
Also published as: ES2079896T3; US5508944A; EP0612398A1; ITBO910417A1; DE69204853D1; KR0123194B1; WO1993010420A1; ITBO910417A0; EP0612398B1; BR9206738A; JP3201481B2; JPH07501398A; IT1253305B

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Prüfen der Geoinetrie und der Abmessungen einer Nockenwelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Prüfen von Eigenschaften einer Nockenwelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.
Außer den bekannten, üblicherweise an einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine regelmäßig, aber zusätzlich zu den einfachen geometrischen Abmessungen der Hauptlager und Nokken durchgeführten Prüfvorgänge gehören neuerdings auch Messungen anderer Parameter des Nockenprofils, wie beispielsweise die Steigung und Änderungen der Profilsteigung. Ungenaue Größen dieser Parameter können den Motorlauf mit einer solchen Welle nachteilig beeinflussen und führen insbesondere zu einem falschen Öffnen und/oder Schließen der zugehörigen Ventile. Dies kann wiederum beispielsweise heftige Stöße zwischen den Ventilen und den Ventilsitzen hervorrufen, die Geräusche, Verschleiß und Beschädigung der Ventile hervorrufen und/oder nachteilige Abgasemissionen und somit Luftverschmutzung.
Um eine volle Auswertung der vorherigen Parameter zu ermöglichen, ist es nötig, Informationen bezüglich des Nockenprofils zu sammeln.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Profilmessung eines Nockens sind im britischen Patent GB-A-1 273 479 offenbart, wo die radialen Abmessungen eines sich drehenden Nockens in bestimmten Winkel lagen gemessen werden und in einer Einrichtung ein Vergleich zwischen den Meßwerten und passenden Sollwerten durchgeführt wird. Die Winkellage des Nockens relativ zu einem idealen Nocken mit den gewünschten Werten wird zuerst auf Vergleichsbasis zwischen einem Sollwert und einem Istwert bestimmt und ist nicht näher erläutert.
Um mit größerer Genauigkeit die Winkellage eines Nockens zu bestimmen, gibt es auch bekannte Einrichtungen, wie im britischen Patent GB-A-1 320 929 und U.S. Patent US-A- 3,731,386 erläutert sind, bei denen die Winkellage der Erhebung eines Nockens unter Verwendung eines oder mehrerer Weggeber ermittelt wird, die das Nockenprofil abtasten, worauf die erhaltenen Signale verarbeitet werden. Dieser Vorgang kann zu ungenauen Auswertungen führen, da er auf einer relativ einfachen Auswertung von Daten beruht, die von der Messung eines zu prüfenden Profils herrühren und somit selbst Fehlern unterworfen sein können.
Die vorgenannten Verfahren und Einrichtungen liefern daher keine genaue Messung eines Nockenprofils und erlauben keine schnelle und sehr genaue Überprüfung einer Nockenwelle insgesamt.
Ein anderes bekanntes Verfahren zum Prüfen eines Nockenprofils einer Nockenwelle ist in der englischen Patentanmeldung GB-A-2 148 007 erläutert. Während die Welle um ihre Achse rotiert, werden Signale, die sich auf radiale Abmessungen des Nockens und Signale, die sich auf die Winkellage des Nockens beziehen, kontinuierlich an einen Prozessor geliefert, der die Werte von einem oder anderem Typ in Übereinstimmung bringt und diese Werte mit bekannten Nennwerten des Nockenprofils vergleicht. Bevor der tatsächliche Meßzyklus beginnt, wird ein anfänglicher Winkelbezugswert bestimmt, indem das Nockenprofil inspiziert wird und die gesammelten Daten verarbeitet werden. Wenn auch dieses Verfahren relativ einfache mechanische Einrichtungen und Steuerungen beinhaltet, so muß doch eine sehr hohe Datenmenge gespeichert und verarbeitet werden. Außerdem kann jeweils nur ein Nocken vermessen werden und der Übergang von einem zum nächsten Nocken erfordert eine Wiederholung von Vorgängen, wie dem Bestimmen des anfänglichen Winkelbezugspunktes am neuen Profil. Der anfängliche Bezugswert kann sich sogar als ungenau herausstellen, da er weitgehend von möglichen Fehlern der tatsächlichen Nockenabmessungen abhängt.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Prüfen der Nockenprofile einer Nockenwelle sowie ein hierfür vorgesehenes Verfahren zu schaffen, das genaue und schnelle Prüfvorgänge erlaubt und die Nachteile bekannter Verfahren und Vorrichtungen beseitigt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe sowie andere im Zusammenhang mit bestimmten Vorteilen mit den Merkmalen des Patentapsurchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß werden mit den Verfahrensmerkmalen des Patentanspruchs 10 die gleichen Aufgaben gelöst und Vorteile vermittelt.
Das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtung erzielte Hauptergebnis besteht in der Möglichkeit, genau und schnell die Nockenprofile einer Nockenwelle zu prüfen, indem automatisch und auf genaue Weise die Winkellage der Nocken an der Nockenwelle bestimmt werden und alle Änderungen in der Winkellage automatisch ausgewertet und kompensiert werden, um einen korrekten Vergleich zwischen jedem geprüften Profil und dem zugehörigen Standardprofil zu erzielen.
Ein nicht einschränkendes Ausführungsbeispiel der Erfindung soll nun näher anhand der Zeichnung erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematisch dargestellte Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform mit einigen Einzelheiten im Schnitt;
Fig. 2 eine Darstellung einiger Elemente der Vorrichtung der Fig. 1 im vergrößerten Maßstab;
Fig. 3 einen Schnitt im vergrößerten Maßstab einer Einzelheit in Fig. 1 längs der Linie III-III in Fig.1, wobei der Einfachheit halber einige Elemente weggelassen sind;
Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
Fig. 5 eine Darstellung eines in Fig. 4 gezeigten Verfahrensschrittes.
In einer bestmöglichen Ausführungsform der Erfindung besitzt die schematisch in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellte Vorrichtung einen Träger 1 mit Tragelementen und mechanischen Referenzpunkten mit Spitzen, die in Richtung der geometrischen Längsachse weisen (nur eine Spitze 3 ist in Fig. 1 gezeigt). Eine Nockenwelle 4 wird zur Überprüfung zwischen den Spitzen 3 angeordnet und besitzt mehrere als Nocken ausgebildete exzentrische Abschnitte. In dem Ausführungsbeispiel ist die Welle 4 für eine Vierzylindermaschine bestimmt und besitzt acht Nocken 5, 6, ... 12, zylindrische Abschnitte oder Hauptlager 13, 14, 15, 16 und 17, die an anderer Stelle liegen und neben einem Ende der Nockenwelle ein Zahnrad 18. Ferner sitzen auf dem Träger 1, der - wie auch andere Elemente der Vorrichtung - hier stark schematisiert der Einfachheit halber dargestellt ist, ein Antrieb mit einem Motor 19 und einem Getriebe 20 zur Drehung der Welle 4 um die Längsachse. Am Getriebe 20 sitzt eine Kupplung 21 neben der einen Spitze. Die Kupplung weist ein integrales Gelenk 22 auf, das eine Drehachse definiert und ein Schub- und Antriebsglied 23, das in Grenzen Drehbewegungen um die Rotationsachse des Gelenks 22 ausführen kann. Das Schub- und Antriebsglied 23 hat einen treibenden Vorsprung 24 zum Einsetzen in eine passende Öffnung 25 am Zahnrad 18, um somit eine im wesentlichen spielfreie Kupplung zu bewirken.
Die Abtastermittel bedienen sich eines Winkelmeßssystems mit einem rotierenden Weggeber 26 mit einem Defraktionsgitter-Interferometer, der mit dem Getriebe 20 gekuppelt ist, um die Winkellagen der Welle 4 bei ihrer vom Motor 19 veranlaßten Rotation zu messen. Der rotierende Weggeber 26 besitzt Bezugsgeber (in Fig. 1 nicht gezeigt) zum Bestimmen einer Nullwinkel-Position. Infolge der Kupplung 21 und des Mittels des Gelenks 22 zwischen dem Ende der Welle 4 und dem Getriebe 20 erzeugten federnden Längsdruckes ergibt sich eine im wesentlichen spiel freie Übertragung zwischen der Welle 4 und dem Weggeber 26.
Die ebenfalls am Träger 1 befestigten Prüfmittel bestehen aus ersten Prüfelementen 27, 28 ... 34 mit je einem linearen Weggeber 35 zum Erzeugen von linearen Auslenkungen einer beweglichen Tastspitze 36 entsprechenden Signalen und einem Übertragerelement oder Folgeglied 37 mit einem zugehörigen Schaft 38, der gegenüber der Längsachse in eine radiale Richtung weist. Ein Fühler 39 ist am freien Ende jeweils des Schaftes 38 befestigt und gerät in Anlage an die Oberfläche je eines Nockens 5 bis 12, so daß sich der Schaft 38 in radialer Richtung verschiebt. Diese Verschiebungen werden auf die Tastspitze 36 des Weggebers 35 übertragen. Die Folgeglieder 37 übertragen lediglich axiale Verschiebungen auf die Tastspitzen 36 der Weggeber 35 und absorbieren mögliche Querkräfte infolge von Reibung zwischen den Fühlern 39 und den Oberflächen der Nocken 5 bis 12, wenn diese rotieren. Mögliche Fehlfunktionen und Beschädigungen der Weggeber 35 sind so vermieden, die auf diese Weise besonders feinfühlige Geräte sein können.
Die Prüfmittel besitzen ferner zweite Prüfelemente, unterschiedlich von den ersten, wie in Fig. 2 dargestellt, mit einem Verbindungselement 40 und einem Meßkopf 41 zum Prüfen linearer Abmessungen. Das Verbindungselement 40 besitzt einen festen Teil 42, der am Träger 1 befestigt ist, sowie einen beweglichen Teil 43 und ein Zwischenglied 44 einschließlich eines eingebauten Gelenks, das eine Drehachse für das Teil 43 bildet. Der Kopf 41 hat ein am Teil 43 befestigtes Gehäuse 45, einen Fühler 46 zum Ausführen begrenzter Auslenkungen gegenüber dem Gehäuse 45 und einen Positionsgeber (nicht dargestellt, beispielsweise Dehnungsmeßstreifen), um Signale zu liefern, welche die Position des Fühlers 46 darstellen. Ein Vorsprung 47 als Grenzanschlag ist im Teil 43 enthalten, um die Oberfläche des Zahnrades 18 zu kontaktieren und eine Referenzposition für den Kopf 41 relativ zum Zahnrad 18 zu definieren. Der Einbau der zweiten Prüfelemente wird derart vorgenommen, daß bei zwischen den Spitzen 3 eingespannter Welle 4 der Fühler 46 abhängig von der Winkellage der Welle 4 entweder mit einem Zahn des Zahnrades 18 in Kontakt ist oder in der Lücke zwishen zwei Zähnen liegt.
Die Prüfmittel sind ferner noch mit dritten Prüfelementen versehen, die Meßköpfe 49 bis 53 zum Überprüfen linearer Abmessungen aufweisen. Jeder Kopf (Fig. 3) hat ein am Träger 1 befestigtes festes Teil 54, zwei bewegliche Arme 55 und 56 sowie zwei Verbindungsabschnitte 57, 58 zwischen den beweglichen Armen 57, 56 und dem festen Teil 54 mit eingebauten Gelenken, die Drehachsen für die beweglichen Arme 55, 56 bilden. Fühlerelemente 59, 60 sind mit den freien Enden der Arme 55 bzw. 56 verbunden und berühren diametral einander gegenüberliegende Punkte an den Oberflächen der Hauptlager 13 bis 17, also an Punkten, die anderen Abschnitten der Nockenwelle entsprechen. Zwei Weggeber 61, 62 liefern Signale bezüglich der Winkelauslenkungen der Arme 55, 56 in Bezug auf den festen Teil 54.
Eine Steuerung 63 zum Speichern, Verarbeiten und Anzeigen von Daten ist an die ersten, zweiten und dritten Prüfelemente, sowie an die Abtastmittel 26 und den Antrieb 19 angeschlossen.
Fig. 4 erläutert die hauptsächlichen Schritte beim Betrieb der Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren. Die Bedeutung der einzelnen Blöcke ist wie folgt erläutert.
Block 70: Eine Welle 4 wird längsseitig in die Vorrichtung eingesetzt, also zwischen den Spitzen. Die Spitze 3 wird in Richtung der Längsachse verschoben, um das Einsetzen zu ermöglichen und dann die Welle 4 einzuspannen. Infolge des integrierten Gelenks 22 der Vorrichtung 21 und des Teils 44 am Element 40, das wiederum ein integriertes Gelenk bildet, legen sich in dieser Position der Vorsprung 24 der Kupplung 21 und der Vorsprung 47 des Elements 40 an das Zahnrad 18 an.
Block 71: Die ersten Prüfelemente 27 bis 34 und Meßköpfe 49 bis 53 werden in Prüfposition gebracht, indem die zugehörigen Teile des Trägers 1 verstellt werden. Diese in der Zeichnung nicht gezeigten Teile bestehen aus einem im wesentlichen festen Träger, an dem die Prüfelemente 27 bis 34 und Meßköpfe 49 bis 53 befestigt sind.
Block 72: Der Motor 19 läuft an und das Getriebe 20 zusammen mit der Kupplung 21 rotieren, bis der Vorsprung 24 in die Öffnung 25 zum Antrieb des Zahnrades 18 greift. Die vom Motor 19 erfolgende Rotation der Welle 4 wird fortgesetzt, bis die Nullwinkel-Position vom Drehgeber 26 erfaßt wird. In dieser Position kontaktiert infolge der besonderen Bauweise der Vorrichtung der Fühler 46 des Kopfes 41 einen Zahn 48 am Zahnrad 18.
Block 73: Im Laufe der weiteren Drehung der Welle 4 von Seiten des Motors 19 werden vom Drehgeber 26 und dem Kopf 41 Signale ausgegeben, wobei der Fühler 46 einen Winkelbezugspunkt der Welle 4, nämlich den Zahn 48 am Zahnrad 18 kontaktiert, und die Signale werden von der Steuerung 63 verarbeitet, um mittels des Drehgebers 26 die genaue Winkellage der Welle 18 zu bestimmen und damit eine Winkelbezugslage der Welle 4 zu bestimmen.
Block 74: Der Motor 19 wird erneut eingeschaltet und die Welle 4 in Drehung versetzt. Während dieser Rotation erfolgt gleichzeitig das Erfassen und Speichern der Werte bezüglich der Signale, die von allen Gebern 25 und Köpfen 49 bis 53 an einer vorbestirnrnten Anzahl von Punkten geliefert werden, die den zu erfassenden Winkelpositionen entsprechen, bestimmt vom Drehgeber 26 in Winkelabständen von 1º, beginnend mit der vorher festgestellten Bezugswinkellage. Dieser Schritt endet nach Ausführung einer 360º Umdrehung, beginnend mit der zuerst festgestellten Winkellage.
Block 75: Die erfaßten und für jede Position gespeicherten Werte werden in der Steuerung 63 verarbeitet, um für jeden Nocken 5 bis 12 eine Folge von 360 Meßwerten h(i) entsprechend radialer Abmessungen zu liefern.
Block 76: Die den Nennprofilen der Nocken 5 bis 12 entsprechenden Werte t(i) (i = 1, 2, ... 360), die in der Steuerung 63 abgespeichert sind, werden verarbeitet, um Werte t(α) zu liefern, welche die radialen Abmessungen am gesamten Nennprofil jedes Nockens darstellen, d.h. im wesentlichen für jede Winkelposition der Welle 4.
Block 77: Die Meßwerte h(i) jedes Nockens 5 bis 12 und die entsprechenden Nennwerte t(α) werden in der Steuerung 63 verarbeitet, um den Wert xBF eines Winkels zu bestimmen, der dem Winkelfehler der Anordnung des Nockens an der Welle 4 in Bezug auf das Nennprofil entspricht.
Block 78: Die Meßwerte h(i) jedes Nockens 5 bis 12 und entsprechenden Werte t(α) des im Winkel um die Größe xBF verschobenen Nennprofils werden in der Steuerung 63 verarbeitet, um die Eigenschaften des Nockenprofils zu bestimmen.
Bezüglich Block 73 wird die Bezugswinkelposition der Welle 4 infolge der hohen Auflösung des Drehgebers 26 (z.B. 0,050º oder 0,025º) und der Signalverarbeitung des Kopfes 41 mit hoher Genauigkeit bestimmt. Genauer gesagt, tastet bei der dargestellten Ausführungsform der Kopf 41 die Oberfläche des Zahnrades 18 im Bereich der Zähne 48 in einem kurzen Umfangsbogen ab, der gegenüber der Nullposition des Drehgebers 26 zentriert. Im Laufe der Abtastung speist der Kopf 41 für jedes Auflösungsinkrement des Gebers 26 einen Signalwert in die Steuerung 63. Da die Gestalt des Fühlers 46 bekannt ist, ist es möglich, längs des Abtastbogens die Punkte an der Oberfläche des Zahnrades 18 genau festzulegen, die den Kanten der Zähne 48 entsprechen und die nachfolgende Verarbeitung in der Steuerung 63 macht es möglich, die Winkelposition eines Radius des Zahnrades 18 durch die Mittellinie der Zähne 48 mit einer Genauigkeit zu bestimmen, die gleich der vorher genannten Auflösung ist. Diese Bezugswinkelposition bildet die erste Winkelmeßposition und dient dazu, die 1º-Abstände, die die folgenden Messungen voneinander trennen, zu bestimmen, indem man von der ersten Winkelmeßposition ausgeht.
Die im Block 75 erläuterten Vorgänge beinhalten beispielsweise für jeden Nocken 5 bis 12 und für jede Winkelmeßposition das Verarbeiten des Meßwertes, der das von dem jeweiligen Geber 45 gelieferte Signal darstellt mit Werten der Signale, die von zwei der Köpfe 49 bis 53 geliefert werden, allgemein die beiden Köpfe, die neben dem jeweiligen Folgeglied 37 auf der Längsachse liegen, um die radialen Abmessungen der Nocken 5 bis 12 auf die Längsachsen zu beziehen, die von den dritten Prüfelementen automatisch festgestellt werden. In Fig. 1 und insbesondere in Bezug auf den Nocken 5 stellen die im vorhergehenden Schritt (Block 74) gespeicherten Werte jene Werte dar, die vom Geber 35 des Prüfelementes 27 und den Köpfen 49, 50 geliefert werden. Das Verarbeiten der von jedem Kopf 49 bis 53 bereitgestellten Signale in der Steuerung 63 erlaubt die Bestimmung der Exzentrizität und von Neigungsfehlern in der Anordnung der den Hauptlagern 13 bis 17 entsprechenden Abschnitte in Bezug auf die von den Spitzen 3 bestimmte Längsachse. Abhängig von diesen Fehlern ist es möglich (in der Steuerung 63), einen entsprechenden Ausgleich der Medwerte durchzuführen, die von den Gebern 35 bezüglich der radialen Abmessungen der Nocken 5 bis 12 geliefert werden, indem man beispielsweise die Messungen auf die von den Mittelpunkten der Hauptlager neben dem zu prüfenden Nocken bezieht oder auf einen bekannten Abstand davon. Die vorgenannten Positionierfehler können u.a. vom Spiel zwischen der Welle 4 und den Spitzen 3 oder von Durchbiegungen der Welle 4 herrühren.
Die im Block 76 angeführten Vorgänge werden in der Steuerung 63 zu einem Zeitpunkt vervollständigt, der nicht notwendigerweise bestimmt sein muß, der jedoch jedenfalls vor den Vorgängen im Block 77 liegt. Diese Vorgänge bestehen aus mathematischen Interpolationen der bekannten Werte t(i) (mit i = 1, 2, ... 360) relativ zum Profil jedes Nockens 5 bis 12, beispielsweise einer Taylor-Reihenexpansion, die es bei Beschränkung der Ausdrücke bis zur zweiten Ordnung erlaubt, den Wert t(i+x) (x < 1º) wie folgt auszudrücken, wobei man von einem bekannten Wert t(i) beginnt:
(1) t(i+x) = t(i) + (dt/dα)i x + (d²t/dα²)i (x²/2)
Die Ausdrücke für (dt/dα)i und (d²t/dα²)i geben die Schräge und die Schrägenänderung des Nennprofils des Nockens an einem Punkt an, der dem ganzen Winkel i entspricht und sind im allgemeinen vorderhand bekannt, nämlich als Geschwindigkeit v(i) und Beschleunigung a(i) des Nockens (insbesondere sind sie in Tabellenform zusammen mit den Werten t(i) zum Bestimmen der Form des Nennprofils des Nockens vorhanden). Die Berechnung der Gleichung (1) ist somit besonders einfach.
Die im Block 77 durchgeführten Abläufe bestehen für jeden Nocken 5 bis 12 aus dem Verarbeiten der Meßwerte h(i) mit i = 1, 2, ... 360 zusammen mit entsprechenden mit Hilfe der Gleichung (1) erhaltenen Nennwerte, um den xBF-Wert eines Winkels der gegenseitigen Winkelauslenkung oder Phasendifferenz zwischen dem Nennprofil und dem Prüfprofil zu ermitteln, wobei dies einen Phasenfehler darstellt bzw. den Steuerwinkel eines Nockens 5 bis 12. Diese Berechnung besteht beispielsweise aus der Anwendung des Verfahrens der Mindestquadrate zum Minimieren der Abweichungen zwischen den Meßwerten h(i) und den Nennwerten t(i+x), indem man die generische Abweichung 5(i) als
(2) S(i) = h(i) - t(i+x)
und
(3) SS = Σi S(i)² (i=1,2,..,360)
gemäß des Mindestquadrat-Verfahrens definiert, besitzt der bestmögliche Winkel der Annäherung des Nennprofils an das Prüfprofil den Wert xBF, so daß
(4) d SS/dx = 0
Ohne im einzelnen die mathematischen Schritte zu zeigen, die zu dem Endergebnis führen, ist es offensichtlich, daß mit einem passenden Programm zum Lösen der Gleichung (4) die Steuerung 63 den gewünschten xBF-Wert für den Winkel- Anordnungsfehler zwischen dem Nennprofil und Prüfprofil liefert.
Hinsichtlich Einfachheit und Klarheit wurde in der vorstehenden Beschreibung (beispielsweise bezüglich des Nockenprofils mit dem Bezugszeichen 5 in den Fig. 1 und 3) der bekannte Winkel β der Winkelnennposition bzw. die Phasendifferenz des Prüfnockens gegenüber der Winkelbezugsposition mit Null angegeben, die die Winkelnennposition jedes Nockens 5 bis 12 an der Nockenwelle 4 repräsentiert. Es ist augenscheinlich, daß die Einführung von β in die vorstehenden Gleichungen die Rechenvorgänge nicht wesentlich modifiziert, da β für jeden Nocken einen bekannten Wert darstellt.
Die Darstellung in Fig. 5 zeigt das wirkliche Profil H&sub5; eines Nockens 5 (mit 13 = 0) gemäß den Meßwerten h(i), das Nennprofil T&sub5; mit den Werten t(i) und das Nennprofil, das dem wirklichen Profil H&sub5; bestmöglich angenähert ist, also das "bestpassende" Nennprofil T'&sub5;, und das man erhält, wenn man T&sub5; um den Winkel xBF im Winkel verschiebt, wie dies gestrichelt dargestellt ist. Fig. 5 zeigt auch das Nennprofil des Nockens 6, nämlich T&sub6;, das um einen bekannten Winkel β gegenüber dem Winkelbezugswert der Welle 4 verschoben ist.
Die im Block 77 ausgeführten Berechnungen beinhalten in der Praxis die Bestimmung des Profils T', das die gleiche Form wie das Nennprofil T besitzt und sich bestens an das wirkliche Profil H annähert.
Die Berechnungen im Block 78 bestehen im wesentlichen für jeden Nocken 5 bis 12 aus Vergleichen zwischen dem wirklichen Profil H und dem bestpassenden Nennprofil, insbesondere werden die Werte für die Abweichungen zwischen den Meßwerten h(i) und den Werten t(i+xBF) berechnet, und auf der Basis dieser Abweichungen werden Abmessungen (wie die Radien der Basiskreise der Nocken 5 bis 12) und/oder Formeigenschaften (wie die Schräge und Schrägenabweichungen der Auf steuer- und Zusteuerrampen oder anderer Abschnitte der Nocken 5 bis 12) geprüft. Auf diese Weise hat ein Winkelanordnungsfehler zwischen dem Nennprofil und dem wirklichen Profil, abgesehen von der korrekten Auswertung xBF keinen Einfluß auf das Prüfen der Profileigenschaften und somit ist der Prüfvorgang besonders zuverlässig und genau.
Das vorgenannte Verfahren, das eine im wesentlichen kontinuierliche Erzeugung von Werten des Nennprofils T liefert, mit anderen Worten, die Anwendung der Taylor-Reihenexpansion, stellt nur eine mögliche Ausführungsform der Interpolation bekannter Werte t(i) dar und hierauf soll die Erfindung offensichtlich nicht eingeschränkt werden. Es ist darüber hinaus auch möglich, Werte der radialen Abmessungen längs des gesamten wirklichen Profils H zu liefern (anstelle der Werte t(α) des Nennprofils T), indem man die Meßwerte h(i) interpoliert (anstelle der Nennwerte t(i)): Und obwohl unter diesen Umständen die Rechenvorgänge allgemein weniger einfach und praktisch sind, da man beispielsweise die Drehzahl und Beschleunigungswerte berechnen muß, ist es nichtsdestotrotz möglich, diese Schritte im wesentlichen wie erläutert, durchzuführen in Bezug auf den Block 77, um den Wert xBF des Winkelanordnungsfehlers zu liefern.
Die hier erläuterte Vorrichtung erlaubt das Prüfen der Profile aller Nocken 5 bis 12 an der Welle 4 mittels der im wesentlichen gleichzeitigen Messung und Abspeicherung (Block 74) aller Signale, die von den Gebern 35 und Köpfen 39 bis 53 für alle Winkelmeßpositionen erzeugt werden, die vom Drehgeber 26 abgetastet werden. Die Werte werden so "eingefroren", also in der Einheit 63 gespeichert, worauf sie nachfolgend zum Verarbeiten ausgelesen werden. Diese Art der Meßwerterfassung liefert radiale Werte, die alle der gleichen präzisen Winkelbezugslage entsprechen, so daß Fehler vermieden werden, die dann auftreten würden, wenn die Messungen mit einem, wenn auch schnellem Abtasten der Signale der Geber 35 und Köpfe 49 bis 53 durchgeführt werden. In diesem Fall würden tatsächlich Winkelverschiebungen der Welle 4 im Laufe des Abtastens nicht vernachlässibare Winkeldifferenzen zwischen der Signalerfassung der einzelnen Geber 35 und Köpfe 49 bis 53 die Folge sein.
Die Messung der Winkelposition der Welle 4 mittels des Kopfes 41 liefert eine genaue Referenz, die für alle Nocken 5 bis 12 gemeinsam ist, so daß sowohl die Winkelposition der einzelnen Nocken an der Welle und die gegenseitige Winkelanordnung der einzelnen Nocken überprüfbar ist.
Die Fühler 39 können abweichend von der in der Zeichnung dargestellten Kugelform auch andere Formen aufweisen. Insbesondere soll darauf hingewiesen werden, daß infolge der Rotationsasymmetrie der Nocken 5 bis 12 jeder Fühler 39 in Fig. 3 die Oberfläche des zugehörigen rotierenden Nockens 5 an mehreren Punkten einer durchgehenden Kontaktlinie berührt (im wesentlichen die in Fig. 3 dargestellte Linie). Um mögliche Fehler bei Prüfvorgängen zu vermeiden, die von Unterschieden zwischen der Krümmung der Fühler 39 und der Krümmung der Oberflächen der Nocken 5 bis 12 herrühren, können sogenannte Schneidenfühler verwendet werden. Die Haupteigenschaft eines Schneidenfühlers ist eine zylindrische oder prismatische Fläche, die eine gerade Kontaktlinie definiert (eine Mantellinie eines Zylinders oder eine Kanta eines Prismas), die das Werkstück kontaktiert. Solche Fühler können insbesondere an je einem der Stifte 38 befestigt sein, so daß die gerade Kontaktlinie die Oberfläche des betreffenden Nockens 5 bis 12 berührt und diese Linie rechtwinklig zu der vom Stift 38 definierten radialen Richtung verläuft, im wesentlichen in einer Ebene parallel zur Ebene der Fig. 3.
Während der Rotation der Nockenwelle 4 verschieben sich die Fühler in radialer Richtung zusammen mit den Stiften 38 der Folgeglieder 37. Auf diese Weise ergeben sich Bewegungen der Fühler, die strikt an radiale Änderungen der Nockenabmessungen gebunden sind, da der gerade Linienkontakt immer in Richtungen erfolgt, die zueinander parallel und tangential zur Arbeitsfläche des Nockens liegen. Mehrere Punkte jeder Linie kontaktieren die Oberfläche des jeweiligen Nockens 5 im Laufe der Rotation.
Ob nun Schneidenfühler oder nicht verwendet werden, ist es ferner möglich, Fehler zu kompensieren, die von einem nicht vorhersehbaren Verschleiß der Kontaktlinien (oder Bereiche) und/oder von der Krümmung derselben herrühren, indem man periodisch ein Muster bekannter Form und stabiler Abmessungen in die Meßposition bringt und an diesem Muster einen Einstellzyklus ausführt. Das Muster ist eine besondere Nockenwelle, bei der Zylinderflächen aus Hartmaterial (beispielsweise Spezialstahl für Lehren) als Außenflächen der Nocken vorgesehen sind, die eine Achse parallel zur Längsachse der Welle und exzentrisch dazu besitzen. Während des Einstellzyklus berühren die Fühler die zylindrischen Flächen und Weggeber 35 liefern Signale an die Steuerung 63: Alle Unterschiede der verarbeiteten Signale gegenüber bekannten sinusförmigen Wegen entsprechend den genauen Formen der zylindrischen Oberflächen rühren von der Krümmung der Fühler und/oder dem Verschleiß oder anderen Fehlern der Kontaktlinien her. Während des Einstellzyklus ist es möglich, die Fehlersignale auf Basis der vorgenannten Differenzen zu speichern. Mit einem passenden Algorithmus, der einen Winkelvergleich zwischen Punkten der zylindrischen Oberflächen des Musters und Punkten der Nennprofile T der Nocken 5 bis 12 durchführt, ist es auch möglich, die Fehlersignale zu verarbeiten, um passende Verschleiß-Kompensationssignale zu erhalten, die dann gespeichert und benutzt werden, um die Meßwerte h(i) zu korrigieren.
Andere Ausführungsformen der zweiten Meßelemente können vorgesehen werden, um unterschiedliche Herstellungseigenschaften der zu prüfenden Welle zu berücksichtigen und die ohne Zahnrad 18 ausgeführt werden können. So können andere passende Meßköpfe anstelle des Kopfes 41 verwendet werden, um beispielsweise einen Sitz für einen Keil zu berühren, der auf der Seitenfläche einer Nockenwelle angebracht ist, um genau einen Mittelabschnitt dieses Sitzes zu bestimmen und so die Winkelbezugsposition zu definieren (Fig. 4, Block 73).
In Ergänzung der vorbeschriebenen Nockenprofil-Prüfvorgänge kann die hier beschriebene Vorrichtung auch weitere Prüfvorgänge ausführen, die sich auf andere Eigenschaften der Welle 4 beziehen (beispielsweise in Bezug auf die Form und/oder die Abmessungen der Hauptlager 13 bis 17) mit Hilfe der vorbeschriebenen Prüfmittel und/oder weiterer Mittel, die zur Verbindung mit der Steuerung 63 vorgesehen sein können.
Letztlich ist es offensichtlich, daß bei Änderungen der Herstelleigenschaften der Welle, beispielsweise bezüglich der Anzahl und/oder der Anordnung der einzelnen Nocken, die Bauweise der Vorrichtung entsprechend angepaßt werden kann, indem man beispielsweise die Anzahl und/oder die Anordnung der ersten und dritten Prüfelemente ändert.

Claims

1. Vorrichtung zum Prüfen von geometrischen Eigenschaften und Abmessungen einer Welle (4) mit Nocken (5 bis 12), wobei vorgesehen ist:

- ein Träger (1) mit Elementen zum Lagern und für die mechanische Referenzlage (3,20,21) der Welle (4) in einer geometrischen Längsachse,

- ein Antrieb (19) zum Steuern der Wellendrehung,

- an dem Träger (1) befestigte Prüfmittel (27-47, 49- 62) mit ersten Prüfelementen (27-39) zum Zusammenarbeiten mit der Außenfläche der Nocken (5-12) und zum Erzeugen von Signalen entsprechend den radialen Abmessungen der Nocken (5-12),

- Abtastmittel (26) und eine Einheit (63) zum Speichern, Verarbeiten und Anzeigen von Daten, die an die Prüfmittel (27-47, 49-62) und an die Abtastmittel (26) angeschlossen sind, um die den radialen Abmessungen der Nocken (5-12) entsprechenden Signale zu verarbeiten,

dadurch gekennzeichnet,

- daß die Prüfmittel (27-47, 49-62) zweite Prüfelemente (40-47) getrennt von den ersten Prüfelementen (27-39) aufweisen, die mit einem Winkelbezugsabschnitt (48) der Welle (4) zusammenarbeiten und daß die Speicher-, Verarbeitungs- und Anzeigeeinheit (63) in der Lage ist,

auf der Basis der von den zweiten Prüfelementen (40-47) gelieferten Signale eine vorbestimmte Winkelbezugsposition für die Welle (4) zu definieren (73),

in Übereinstimmung mit der vorbestimmten Winkelbezugsposition der Welle (4) und entsprechend allen festen Winkelabständen beginnend an dieser Bezugsposition Werte zu speichern (74), die von den von allen ersten Prüfelementen (27 bis 29) gelieferten Signalen erfaßt werden, wobei die festen Winkelabstände im Laufe der Rotation von den Abtastmitteln (26) abgetastet werden,

die festgestellten Werte zu verarbeiten (75), um Folgen relevanter Meßwerte (h(i)) radialer Abmessungen der Nocken (5-12) zu erhalten,

die Meßwerte (h(i)) für jeden Nocken (5-12) mit entsprechenden Werten (t(α)) bezüglich eines bekannten Nennprofils zu vergleichen und die Ergebnisse dieser Vergleiche zu verarbeiten (77), um einen Wert für einen Winkelanordnungsfehler (xBF) zwischen der Folge der Meßwerte (h(i)) und des Nennprofils (T) zu erhalten und für jeden Nocken (5-12) die Meßwerte (h(i)), die Werte (t(a)) bezüglich des Nennprofils (T) und des Winkelanordnungsfehlers (xBF) zu verarbeiten (78), um Parameter bezüglich der Profile der Nocken (5-12) zu prüfen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Elemente für die Lagerung und die mechanische Referenzlage (3,20,21) Übertragungsmittel (20) beinhalten, die mit dem Antrieb (19) gekuppelt sind, um der Welle (4) eine Drehbewegung um die Längsachse zu erteilen und mit einer Kupplung (21-24), die in der Lage ist, einen federnden Druck zwischen den Übertragungsmitteln (20) und der Welle (4) in einer Richtung zu erzeugen, die im wesentlichen parallel zur Längsachse verläuft, wobei die Abtastmittel (26) mit den Übertragungsmitteln (20) verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Kupplung (21) ein Schub- und Antriebsteil (23), das in der Lage ist, mit der Welle (4) zusammenzuarbeiten, und ein eingebautes Gelenk (22) zwischen dem Schubteil (23) und den Übertragungsmitteln (20) zum Erzeugen der Federkraft aufweist, um eine im wesentlichen spiel freie Übertragung zwischen der Welle (4) und den Abtastmitteln (26) vorzusehen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Abtastmittel von einem Drehgeber (26) gebildet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der Drehgeber (26) eine Auflösung von 0,025º besitzt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die ersten Prüfmittel (27-39) Geber (35) und Übertragungselemente (37) aufweisen, die mit den Gebern (35) verbunden sind und axial verschiebbare Stifte (38) und an den Stiften (38) befestigte Fühlerelemente (39) aufweisen, die in der Lage sind, die Fläche der Nocken (5-12) zu kontaktieren, wobei die Stifte (38) in der Lage sind, an die Geber (35) axiale Verschiebungen entsprechend den Anderungen der radialen Abmessungen der Nocken (5-12) während der Rotation der Welle (4) zu übertragen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die zweiten Prüfelemente (40-47) einen Meßkopf (41) mit einem Fühler (46) beinhalten, der in der Lage ist, den Winkelbezugsabschnitt (48) der Welle (4) zu kontaktieren, sowie einen Geber und ein Verbindungselement (40) mit einem festen Teil (42), das am Träger (1) befestigt ist, einem beweglichen Teil (43) zum Befestigen des Meßkopfes (41) und einem Zwischenteil (44) zwischen dem festen Teil (42) und dem beweglichen Teil (43), um eine Drehachse zu definieren, wobei der bewegliche Teil (43) einen Vorsprung (47) als Grenzanschlag besitzt, der mit einer Fläche der Welle am Winkelbezugsabschnitt (48) zusammenarbeitet, um eine Bezugsposition für den Kopf (41) zu definieren.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der der Geber des Meßkopfes (41) von Dehnungsmeßstreifen gebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Prüfmittel (27-47, 49-62) dritte Prüfelemente (49-62) mit Meßköpfen (49-53) beinhalten, die am Träger (1) befestigt sind und mit der Außenfläche von im wesentlichen zylindrischen Abschnitten (13-17) der Welle (4) zusammenarbeiten, wobei die Meßköpfe (49-53) Geber (61,62) aufweisen, die an die Speicher-Verarbeitungs- und Anzeigeeinheit (63) angeschlossen sind, um der Position der im wesentlichen zylindrischen Abschnitte (13-17) in Bezug auf die geometrische Längsachse entsprechende Signale zu liefern, wobei die Speicher-Verarbeitungs- und Anzeigeeinheit (63) in der Lage ist, diese Signale mit den Signalen der ersten Prüfelemente (27-39) zu verarbeiten, um die besagten Folgen von Meßwerten (h(i)) zu erhalten.

10. Verfahren zum Prüfen der Eigenschaften einer Welle (4) mit Nocken (5-12), insbesondere auf Parameter, die die Profile der Nocken (5-12) betreffen, mittels einer Vorrichtung mit Prüfelementen (27-39), bestehend aus folgenden Schritten:

- Gegenseitige Verdrehungen zwischen der Welle (4) und den Prüfelementen (27-29) werden erzeugt (72),

- im Laufe der Drehung werden mittels der ersten Prüfelemente (27-39) Meßwerte (h(i)) bezüglich der radialen Dimensionen der Welle (4) bestimmt, die wirkliche Profile (H) der Nocken (5-12) definieren und die Werte der Abweichungen zwischen den Meßwerten (h(i)) und den Werten (t(α)) der entsprechenden Nennprofile (T) werden berechnet (78), um diese Parameter zu prüfen,

gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte:

- im Laufe der Drehung wird eine Winkelbezugsposition für die Welle (4) mittels der zweiten Prüfelemente (40-47) bestimmt (73), die von den ersten Prüfmitteln (27-39) getrennt sind, wobei die Meßwerte (h(i)) entsprechend der Winkelbezugsposition und in festen Winkelabständen ausgehend von der Winkelbezugsposition bestimmt werden und die Meßwerte (h(i)) mit den Werten (t(α)) der Nennprofile (T) verarbeitet werden (77), um vor dem Berechnungsschritt (78) den Wert eines Winkelanordnungsfehlers (xBF) zwischen dem wirklichen Profil (H) und dem entsprechenden Nennprofil (T) jedes Nockens (5-12) zu bestimmen.

11. Verfahren nach Anspruch 10, mit dem weiteren Schritt, daß für jeden Nocken (5-12) eine Abfolge bekannter Werte (t(i), v(i), a(i)) bezüglich der radialen Nennabmessung der Welle (4) in bestimmten Winkelpositionen verarbeitet werden (76), um diese Werte (t(α)) der Nennprofile (T) im wesentlichen für jede Winkelposition der Welle (4) zu ermitteln.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der Schritt zum Erfassen (74,75) der Werte (h(i)) die im wesentlichen gleichzeitige Erfassung und Abspeicherung (74) der Signale der ersten Prüfelemente (27-39) in Bezug auf alle Nocken (5- 12) entsprechend der Winkelbezugsposition der Welle (4) umfaßt und im Laufe der Drehung entsprechen allen festen Winkelabständen ausgehend von dieser Bezugsposition, worauf anschließend diese Signale verarbeitet werden (75), um die Meßwerte (h(i)) zu erhalten.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Welle (4) einen Winkelbezugsteil (48) definiert und der Schritt, in dem eine Winkelbezugsposition der Welle (4) bestimmt wird (73) ein Abtasten mittels der zweiten Prüfelemente (40-47) des Winkelbezugsteils (48) im Laufe der gegenseitigen Drehungen umfaßt und wobei die resultierenden Signale mit von den Winkelabtastmitteln (26) gelieferten Signale verarbeitet werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Schritt zum Ermitteln (74,75) der Werte (h(i)) die Ermittlung und das Abspeichern (74) der Signale umfaßt, die von dritten Prüfelementen (49-62) geliefert werden, die mit im wesentlichen zylindrischen Abschnitten (13-17) der Welle (4) zusammenarbeiten, um Informationen bezüglich der Exzentrizität dieser Abschnitte (13,17) gegenüber einer Längsbezugsachse der Welle (4) zu erhalten und wobei die nachfolgende Verarbeitung (75) der von den ersten (27-39) und den dritten (49-62) Prüfelementen gelieferten Signale erfolgt, um die Meßwerte (h(i)) zu erhalten.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem das Ermitteln und Abspeichern der Signale der dritten Prüfelemente (49- 62) entsprechend der Winkelbezugsposition der Welle (4) und davon ausgehend in festen Winkelabständen erfolgt, im wesentlichen gleichzeitig mit dem Ermitteln und dem Abspeichern der Signale der ersten Prüfelemente (27-39).

16. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Verarbeitungsschritt (77) für die Meßwerte (h(i)) mit den Werten (t(α)) der Nennprofile (T) zum Bestimmen des Wertes des Winkelanordnungsfehlers (xBF) für jeden Nocken (5-12) die Anwendung des Mindestquadratverfahrens zwischen den Meßwerten (h(i)) und den Werten (t(α)) des entsprechenden Nennprofils (T) beinhaltet.

17. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Schritt zum Ermitteln (74,75) der Werte (h(i)) entsprechend der Winkelbezugsposition der Welle (4) und davon ausgehend der festen Winkelabstände das Messen dieser Winkelabstände beinhaltet, sowie die Ermittlung mittels Winkelabtastmittel (26).

18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die festen Winkelabstände jeweils 1º betragen.

19. Verfahren nach Anspruch 10 mit dem Schritt, bekannte Werte (t(i)) von Parametern des zugehörigen Nennprofils (T) für eine feste Anzahl von Punkten in unterschiedlichen Winkelpositionen für jeden Nocken (5-12) elektronisch zu speichern, wobei die Meßwerte (h(i)) für jeden Nocken (5- 12) für eine gleiche Anzahl von Punkten ermittelt werden (74).