Die Erfindung betrifft einen Verzahnungsprüfstand nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 , eine Zahnprobe nach dem Oberbegrifft von Anspruch 14 und ein Verfahren nach Anspruch 15.

Um die Belastbarkeit der Verzahnung eines Zahnrads zu prüfen, sind aus dem Stand der Technik sogenannte FZG-Prüfstände und Pulsatorprüfstände bekannt. Bei einem FZG-Prüfstand werden die Verzahnungen zweier Zahnräder in Eingriff gebracht und gegeneinander verspannt. Bei den Zahnrädern handelt es sich regelmäßig um maßstäblich verkleinerte Modelle größerer Zahnräder. Dies birgt das Risiko, dass die ermittelten Ergebnisse nicht 1 :1 auf die größeren Zahnräder übertragen werden können. Darüber hinaus ist bei einem FZG-Prüfstand die Verspannung und damit die simulierte Last gewöhnlich statisch. Die Prüfung dynamischer Lasten ist damit nicht möglich.

Bei einem Pulsatorprüfstand werden zwei Zähne der Verzahnung eines Zahnrads zwischen zwei Stempeln verspannt. Mittels der Stempel können dynamische Lasten aufgebracht werden. Bedingt durch die Verformungen im Zahnrad ist allerdings die Auflagefläche der Stempel auf den Zähnen nicht exakt definiert. Zudem ist es nicht möglich, die bei Evolventenverzahnungen auftretenden Abrollbewegungen der einzelnen Zähne zu simulieren. Auch die Prüfung von schräg verzahnten Zahnrädern ist mit herkömmlichen Pulsatorprüfständen nicht möglich. Die Richtung der mittels der Stempel in das Zahnrad eingeleiteten Kräfte verläuft orthogonal zu einer Drehachse des Zahnrads. Dies bedingt eine Gradverzahnung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Lastverhalten der Verzahnung eines Zahnrads unter Umgehung der den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen innewohnenden Nachteile zu prüfen. Insbesondere soll die Validität der Ergebnisse der Prüfung verbessert werden. Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Verzahnungsprüfstand nach Anspruch 1 , eine Zahnprobe nach Anspruch 14 und ein Verfahren nach Anspruch 15. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen enthalten.

Mit Verzahnungsprüfstand wird eine Anordnung zum Prüfen der Verzahnung eines Zahnrads bezeichnet.

Der erfindungsgemäße Verzahnungsprüfstand umfasst eine Probenaufnahme, d.h. ein Mittel zur Aufnahme einer Probe bzw. eines Prüflings und einem Lasterzeuger, d.h. ein Mittel zum Aufbringen einer Last, insbesondere einer mechanischen Last.

Als Mittel zum Übertragen der Last auf die Probe weist der Lasterzeuger mindestens einen Kopf auf.

Bei der Probe handelt es sich um eine Zahnprobe. Diese umfasst einen, vorzugsweise genau einen aus der Verzahnung des Zahnrads herausgetrennten Zahn. Bei dem Zahnrad handelt es sich vorzugsweise um ein innen- oder außenverzahntes Zylinderrad. Dessen Verzahnung kann etwa als Geradverzahnung, aber auch als Evolventenverzahnung ausgeführt sein.

Die Probenaufnahme ist erfindungsgemäß ausgebildet, die beschriebene Probe aufzunehmen, d.h. geeignet zu fixieren. Die Fixierung erfolgt derart, dass eine Last auf eine Flanke des Zahns aufgebracht werden kann.

Zum Aufbringen der Last dient der Kopf des Lasterzeugers der an der Flanke des Zahns anliegt. Über eine entsprechende Anlagefläche des Kopfes an der Flanke wird die Last in die Flanke eingeleitet.

Bei der Last handelt es sich um eine Kraft, die sich in der Anlagefläche als Druck manifestiert. Insbesondere kann die Kraft im zeitlichen Verlauf veränderlich sein.

Die Erfindung ermöglicht es, die Verzahnung eines realen Zahnrads ohne die Anfertigung verkleinerter Modelle direkt zu testen. Da nur ein einzelner Zahn getestet wird, ist es nicht erforderlich, das Zahnrad komplett in den Prüfstand einzuspannen. Insbesondere bei Großgetrieben, etwa Windraftgetrieben, ist dies von Vorteil. Entsprechend realen Belastungssituationen lassen sich zudem in Abhängigkeit der Zeit veränderliche Lasten simulieren.

Um über den Kopf des Lasterzeugers veränderliche Lasten auf die Flanke des Zahns aufzubringen, sind in einer bevorzugten Weiterbildung die Zahnprobe inclusive des Zahns und der Kopf relativ zueinander beweglich. So können weiterbildungsgemäß die Zahnprobe translatorisch in eine erste Richtung und der Kopf translatorisch in eine zweite Richtung bewegt werden. Die Bewegungen der Zahnprobe in die erste Richtung und des Kopfs in die zweite Richtung erfolgen relativ zu einer ortsfesten Struktur, etwa einem Gehäuse des Verzahnungsprüfstands. Bevorzugt sind die Zahnprobe und/oder der Kopf so fixiert, etwa in der ortsfesten Struktur, dass Bewegungen ausschließlich in die erste Richtung bzw. die zweite Richtung möglich sind.

In einer darüber hinaus bevorzugten Weiterbildung verläuft die zweite Richtung antiparallel zu einer Flächennormalen einer Kontaktfläche des Kopfs und der Flanke. Dies ist gleichbedeutend damit, dass die zweite Richtung antiparallel zu einer Flächennormalen der Flanke verläuft, wobei der Kopf in der Flächennormalen an der Flanke anliegt. Dadurch wird eine Voraussetzung geschaffen über eine erste, in die erste Richtung auf den Zahn wirkende Kraft und eine zweite, in die zweite Richtung auf den Kopf wirkende Kraft die Flanke des Zahns zu belasten.

Die Zahnprobe wird bevorzugt symmetrisch in den Verzahnungsprüfstand eingespannt. Dies bedeutet, dass eine Ebene, bezüglich welcher der Zahn ebensymmetrisch ist, und die Bewegungsrichtung der Zahnprobe, d.h. die erste Richtung, parallel zueinander ausgerichtet sind. Bezüglich des Zahnrads, aus dem die Zahnprobe herausgetrennt wurde, verläuft die erste Richtung radial, d.h. orthogonal zu einer Drehachse bzw. Mittelachse des Zahnrads.

Die erste Kraft und die zweite Kraft werden in bevorzugten Weiterbildungen nach dem Prinzip von Actio und Reactio aufgebracht. So ist der Kopf in einer bevorzugten Weiterbildung gegen die Flanke verspannt.

Hierbei bringt der Kopf in Reaktion auf eine aktiv aufgebrachte erste Kraft passiv die zweite Kraft - die Reactio - auf.

Insbesondere kann der Lasterzeuger zu diesem Zweck mindestens ein Federelement aufweisen, das gegen den Kopf verspannt ist. Im Einzelnen ist das Federelement zwischen dem Kopf und einem feststehenden Mittel verspannt. Bei dem feststehenden Mittel handelt es sich um eine Komponente des Lasterzeugers, die etwa in der oben genannten ortsfesten Struktur fixiert sein kann.

Die Wirkrichtung des Federelements stimmt vorzugsweise mit der zweiten Richtung überein. Durch das Federelement wird also eine in die zweite Richtung weisende Federkraft auf den Kopf aufgebracht. Die auf den Kopf aufgebrachte Federkraft kommt in Reaktion auf eine anderweitig eingeleitete Kraft zustande.

In einer bevorzugten Weiterbildung ist ein Aktor zur Einleitung der genannten Kraft vorgesehen. Der Aktor wirkt weiterbildungsgemäß auf die Zahnprobe, d.h. beaufschlagt die Zahnprobe mit einer Kraft - der Actio. Die von dem Aktor auf den Zahn aufgebrachte Kraft verläuft in die erste Richtung. Entsprechend stimmt die Wirkrichtung des Aktors bevorzugt mit der ersten Richtung überein. Bevorzugt ist der Aktor dabei in der ortsfesten Struktur fixiert und wirkt auf die Zahnprobe.

Der Aktor bewegt die Zahnprobe weiterbildungsgemäß oszillierend. Eine oszillierende Bewegung zeichnet sich durch eine wiederholte Umkehr der Bewegungsrichtung aus. Die oszillierende Bewegung des Zahns erfolgt in die erste Richtung oder entgegengesetzt dazu.

Die Bezeichnung oszillierende Bewegung ist gleichbedeutend mit einer Schwingung. Weiterbildungsgemäß regt der Aktor die Zahnprobe also zu einer Schwingung an.

Alternativ wirkt der Aktor des Lasterzeugers nicht auf die Zahnprobe sondern auf den Kopf. In diesem Fall stimmt die Wirkrichtung des Aktors mit der zweiten Richtung überein. Der Aktor ist dabei bevorzugt in der feststehenden Struktur fixiert. Wenn der Aktor auf den Kopf wirkt, wirkt das Federelement entsprechend auf die Zahnprobe. Dabei ist das Federelement zwischen der ortsfesten Struktur und der Zahnprobe verspannt. Die Wirkrichtung des Federelements stimmt in diesem Fall vorzugsweise mit der ersten Richtung überein, d.h. die von dem Federelement aufgebrachte Federkraft weist in die erste Richtung.

Der Kopf ist in einer darüber hinaus bevorzugten Weiterbildung rotationssymmetrisch. Insbesondere kann der Kopf als zylindrische Rolle ausgebildet sein. Dabei kommt es zwischen dem Kopf und der Flanke des Zahns zu einer linienförmigen Berührung. Entsprechend bringt der Kopf eine Linienlast auf den Kopf auf.

Besonders bevorzugt wird eine drehbar gelagerte Weiterbildung des Kopfs. Dies ermöglicht eine Abroll beweg ung des Kopfs an der Flanke des Zahns. Die Abrollbewegung des Kopfs entspricht einem bei Evolventenverzahnungen auftretenden rollenden Zahneingriff.

Eine Drehachse des drehbar gelagerten Kopfs kann gegenüber mindestens einer Flankenlinie der Zahnflanke verschränkt sein. Dies bedeutet, dass die Drehachse und die Flankenlinie windschief zueinander verlaufen. Die Verschränkung der Drehachse gegenüber der Flankenlinie kommt vorzugsweise derart zustande, dass die Drehachse ausgehend von einem parallelen Verlauf zu der Flankenlinie um eine flächennormale der Berührfläche des Kopfs und der Flanke des Zahns verdreht wird. Infolgedessen rollt der Kopf infolge der Bewegungen der Zahnprobe in die erste Richtung und/oder des Kopfs in die zweite Richtung nicht nur an der Flanke des Zahns ab, sondern unterliegt auch einer Gleitbewegung orthogonal zur Richtung des Abrollens. Hierdurch lässt sich eine Belastung der Flanke durch sogenanntes spezifisches Gleiten simulieren.

In einer besonders bevorzugten Weiterbildung weist der Lasterzeuger zur Simulation mehrachsiger Belastungszustände mindestens zwei Köpfe auf, die an derselben Flanke des Zahns anliegen und jeweils eine Last auf die Flanke aufbringen. Der erste Kopf und der zweite Kopf sind räumlich voneinander getrennt und berühren die Flanke des Zahns in räumlich voneinander getrennten Berührflächen. Auch die von den Köpfen auf die Flanke des Zahns aufgebrachten Lasten sind damit räumlich voneinander getrennt.

Die Verwendung zweier Köpfe ermöglicht es, mit einem der Köpfe gezielt eine Biegebeanspruchung des Zahns herbeizuführen, während der andere - dem Zahnfuß nähere- Kopf durch die Druckbeanspruchung eine Schwächung der Oberfläche der Flanke des Zahns bewirkt. Darauf basierend lässt sich die Dauerfestigkeit des Zahns sowohl bezüglich Pressung als auch bezüglich Biegung bestimmen. Beide Faktoren sind als Versagensursachen bekannt.

Die mindestens zwei Köpfe sind jeweils in eine Richtung beweglich, die antiparallel zu einer Flächennormalen einer Kontaktfläche des jeweiligen Kopfs und der Flanke des Zahns verläuft. Bevorzugt ist zudem jeder der Köpfe gegen die Flanke verspannt. Hierzu können Federelemente vorgesehen sein, die jeweils zwischen den Köpfen und der feststehenden Struktur verspannt sind. Alternativ ist es möglich, die Köpfe jeweils mit einem Aktor zu belasten bzw. in eine oszillierende Bewegung zu versetzen. Vorzugsweise sind darüber hinaus die Köpfe rotationssymmetrisch bzw. als Rolle ausgebildet und drehbar gelagert. Um spezifisches Gleiten zu simulieren, können die Drehachsen der beiden Köpfe gegenüber jeweils mindestens einer Flankenlinie der Flanke des Zahns verschränkt sein.

Die Zahnprobe umfasst einen, vorzugsweise genau einen Zahn eines Zahnrads und einen Schaft zur Fixierung in der Probenaufnahme des oben beschriebenen Verzahnungsprüfstands. Der Schaft kann etwa mindestens teilweise quader- oder zylinderförmig ausgestaltet sein. Die Zahnprobe wurde aus dem Zahnrad herausgetrennt. Dies impliziert, dass die Zahnprobe zuvor Bestandteil des Zahnrads war.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Prüfen der Verzahnung eines Zahnrads umfasst die folgenden Schritte:

- Heraustrennen eines Zahns aus dem Zahnrad; und

- Prüfen des Zahns mittels eines Verzahnungsprüfstands der oben beschriebenen Art. Das Heraustrennen des Zahns kann etwa durch Sägen oder zerteilen erfolgen. Sägen ist in der Norm DIN 8589 definiert. Die Norm DIN 8588 definiert Zerteilen.

Der Verfahrensschritt des Prüfens umfasst einen Teilschritt des Einspannens des Zahns in den Verzahnungsprüfstand und einen Teilschritt des Belastens des Zahns mittels des Verzahnungsprüfstands. Der Zahn wird in den Verzahnungsprüfstands eingespannt, in dem er in der Probenaufnahme fixiert wird. Die Belastung des Zahns gestaltet sich derart, dass durch den Kopf oder die Köpfe des Verzahnungsprüfstands eine Last auf eine Flanke des Zahns aufgebracht wird.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt. Übereinstimmende Bezugsziffern kennzeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale. Im Einzelnen zeigt:

Fig. 1 einen aus dem Stand der Technik bekannten Pulsatorprüfstand

Fig. 2 einen Verzahnungsprüfstand mit den Merkmalen der Erfindung;

Fig. 3 eine Teilansicht einer eingespannten Zahnprobe;

Fig. 4 die Prüfung der Zahnprobe mit einem Lasterzeuger;

Fig. 5 spezifisches Gleiten;

Fig. 6a und 6b Kräfte beim spezifischen Gleiten;

Fig. 7 einen Testzyklus;

Fig. 8 einen zweiköpfigen Verzahnungsprüfstand;

Fig. 9 spezifisches Gleiten bei dem zweiköpfigen Verzahnungsprüf stand;

Fig. 10 ein Zahnrad mit Außenverzahnung; und

Fig. 1 1 ein Zahnrad mit Innenverzahnung.

Das in Figur 1 dargestellte Zahnrad 101 ist zwischen zwei Stempeln 103 eines herkömmlichen Pulsatorprüfstands zum Zwecke der Simulation einer dynamischen Belastungssituation eingespannt. Die Stempel 103 greifen in die Verzahnung des Zahnrads 101 ein und bringen eine Last auf. Herkömmliche Pulsatorprüfstände weisen eine Reihe von Nachteilen auf, die sich mit dem in Fig. 2 dargestellten Verzahnungsprüfstand 201 vermeiden lassen. In den Verzahnungsprüfstand 201 ist eine zu prüfende Zahnprobe 203 eingespannt. Die Zahnprobe 203 zeichnet sich dadurch aus, dass es sich nicht um ein zum Zwecke der Prüfung hergestelltes Modell handelt, sondern aus einem einsatzfähigen Zahnrad extrahiert wurde.

Die Zahnprobe 203 umfasst einen Schaft 205 und zwei Zahnflanken 207. Mit dem Schaft 205 ist die Zahnprobe 203 in einer Probenaufnahme 209 eingespannt. Die Probenaufnahme 209 führt die Zahnprobe 203 in vertikaler Richtung beweglich.

Der Schaft 205 weist eine nach oben geöffnete Sacklochbohrung mit einem Innengewinde 21 1 auf. Über das Innengewinde 21 1 kann die Zahnprobe 203 an einen in Fig. 2 nicht dargestellten Aktor angeschlossen werden, der die Zahnprobe 203 auf und ab bewegt.

Um eine auf die Flanke 207 wirkende Belastung zu simulieren, weist der Verzahnungsprüfstand 201 einen Lasterzeuger 213 auf. Eine drehbar gelagerte Rolle 215 des Lasterzeugers 213 steht mit der Flanke 207 in Berührung. Mittels einer Feder 213 wird die Rolle 215 vorgespannt. Eine Kraft F der Feder 213 wirkt in horizontaler Richtung auf die Rolle 215 und drückt diese gegen die Flanke 207.

Ein Gehäuse 219 kapselt die Komponenten des Verzahnungsprüfstands. In dem Gehäuse 219 ist der Lasterzeuger 213 fixiert. Weiterhin bildet das Gehäuse 219 die Probenaufnahme 209 aus. Im Inneren des Gehäuses 219 befindet sich ein Ölbad 221 , in welches die Flanke 207 der Zahnprobe 203 und die Rolle 215 des Lasterzeugers 213 eingetaucht sind. Durch das Ölbad 221 lässt sich die in einem realen Getriebe vorhandene Ölschmierung simulieren.

Eine Ansicht der Zahnprobe 203 von unten ist in Fig. 3 dargestellt. Hier ist zu erkennen, dass es sich um einen Ausschnitt einer Schrägverzahnung handelt. Die Kraft F, die zu Prüfzwecken auf die Flanke 207 der Zahnprobe 203 einwirkt, muss entspre- chend schräg ausgerichtet sein. Dies wird erreicht durch eine entsprechend schräge Ausrichtung des Lasterzeugers 213, wie in Fig. 4 dargestellt.

Gemäß Fig. 4 verläuft eine Hauptachse 401 , entlang der die Rolle 215 verschiebbar ist, und in deren Richtung entsprechend eine Kraft aufgebracht werden kann, orthogonal zu der Flanke 207 der Zahnprobe 203. Die Flanke 207 wiederum verläuft antiparallel zu einer Hauptachse 403 des Verzahnungsprüfstands 201 . Die Hauptachse 403 ist parallel ausgerichtet zu einer Drehachse des Zahnrads 101 , aus dem die Zahnprobe 203 herausgetrennt wurde. Insbesondere stehen somit die Hauptachse 401 des Lasterzeugers 213 und die Hauptachse 403 des Verzahnungsprüfstands 203 nicht orthogonal zueinander.

Die Richtung der in Fig. 5 dargestellten Perspektive entspricht der Richtung der von dem Lasterzeuger 213 aufgebrachten Kraft F. Aus dieser Perspektive ist eine Verschränkung einer Drehachse 501 der Rolle 215 des Lasterzeugers 213 gegenüber einer Eingriffslinie 503 zu erkennen. Die Eingriffslinie 503 kennzeichnet einen Bereich, in dem die Flanke 207 der Zahnprobe 203 durch die Rolle 215 belastet wird. Insbesondere besteht entlang der Eingriffslinie 503 ein Kontakt zwischen der Rolle 215 und der Flanke 207. In Folge der Verschränkung verlaufen die Drehachse 501 der Rolle 215 und die Eingriffslinie 503 antiparallel. Dies bewirkt ein sogenanntes spezifisches Gleiten der Rolle 215. Die Rolle 215 bewegt sich dabei nicht nur rollend sondern auch gleitend über die Oberfläche der Flanke 207. Hierdurch lassen sich real vorherrschende Belastungsverhältnissee sehr exakt simulieren.

Die resultierenden Kräfteverhältnisse sind in den Fig. 6a und 6b veranschaulicht, eine erste Komponente einer von dem Lasterzeuger 213 auf die Flanke 207 aufgebrachten Kraft F wirkt in der Flanke als eine senkrecht zu der Flanke 207 stehende Normalkraft Fn. Eine zweite Komponente der Kraft F steht senkrecht zu Fn.

Fig. 7 stellt die Kraft F, welche durch die Rolle 215 auf die Flanke 207 der Zahnprobe 203 aufgebracht wird, im zeitlichen Verlauf dar. Dargestellt ist weiterhin eine Prüflast 701 , welche im Ruhezustand durch die Feder 217 aufgebracht wird. Durch die Auf- und Abbewegung der Zahnprobe 203 beschreibt die Kraft F einen um die Prüflast 701 herum schwankenden periodischen Verlauf.

Fig. 8 zeigt eine Variante des Verzahnungsprüfstands 201 mit zwei Rollen 215. Beide Rollen 215 liegen an der Flanke 207 der Zahnprobe 203 an und werden durch die Feder 217 mit einer Last beaufschlagt. Auf diese Weise lässt sich eine realitätsgetreuere Simulation der real vorherrschenden Belastungsverhältnisse realisieren.

Wie in Fig. 9 dargestellt, sind analog zu Fig. 5 die Rollen 215 auch in zweifach vorhandener Ausführung gegenüber ihren Eingriffslinien verschränkt, um spezifisches Gleiten zu simulieren.

Bei dem Zahnrad 101 , aus dem die Zahnprobe 203 herausgetrennt wurde, kann es sich um ein innenverzahntes oder ein außenverzahntes Zahnrad 101 handeln.

Fig. 10 stellt ein außenverzahntes Zahnrad 101 dar. Die Zahnprobe 203 wird entlang einer ersten Schnittfläche 1001 und einer zweiten Schnittfläche 1003 aus dem Zahnrad 101 herausgetrennt. Die erste Schnittfläche 1001 und die zweite Schnittfläche 1003 verlaufen parallel zueinander.

Fig. 1 1 stellt analog ein innenverzahntes Zahnrad 101 dar. Entlang der ersten Schnittfläche 1001 und der zweiten Schnittfläche 1003 wird die Zahnprobe 203 aus dem Zahnrad 101 herausgetrennt. Auch hier verlaufen die erste Schnittfläche 1001 und die zweite Schnittfläche 1003 parallel zueinander.

Bezuqszeichen

101 Zahnrad

103 Stempel

201 Verzahnungsprüfstand

203 Zahnprobe

205 Schaft

207 Flanke

209 Probenaufnahme

21 1 Innengewinde

213 Lasterzeuger

215 Rolle

217 Feder

219 Gehäuse

221 Ölbad

401 Hauptachse des Lasterzeugers

701 Prüf last

1001 erste Schnittfläche

1003 zweiter Schnittfläche