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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien
Prüfung
eines rotationssymmetrischen Bauteils, bei dem während der Rotation des Bauteils
die Axialdrift reduziert wird.
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Während der
zerstörungsfreien
Prüfung
rotationssymmetrischer Bauteile, beispielsweise schwere geschmiedete
Wellen, ist es notwendig, diese kontinuierlich auf der Stelle um
die eigene Achse rotieren zu lassen. Dazu wird die Welle in zwei
in Axialrichtung hintereinander in einer Prüfvorrichtung angeordneten,
sogenannten Rollenböcken
gelagert. Ein Rollenbock besteht aus zumindest zwei drehbar gelagerten
Rollen und dient als Aufnahme für
die zu prüfende
Welle. Der Abstand dieser Rollen zueinander ist senkrecht zur Wellenachse
verstellbar, um Wellen mit unterschiedlichen Durchmessern aufnehmen
zu können.
Einer der beiden Rollenböcke
ist mit einem Antrieb versehen, damit die Welle in Rotation versetzt
werden kann. Der andere Rollenbock ist zusätzlich höhenverstellbar, um auch Wellen
mit mehreren unterschiedlichen Durchmessern entlang des axialen Verlaufs
der Welle waagerecht aufnehmen zu können. Eine ähnliche Anordnung ist beispielsweise
aus der
US 3,090,237
A bekannt. Die zu prüfende
Welle wird mit Hilfe eines Krans in die zuvor entsprechend der Wellengeometrie
ausgerichteten Rollenböcke gehoben.
Dabei kann es zu Abweichungen von der idealen axialen Lagerung der
Welle kommen. Als Folge davon beschreibt bei der Rotation der Welle
ein Punkt an der Oberfläche
keine Kreisbahn, wie es idealerweise der Fall wäre, sondern eine schrau benförmige Bahn.
Aus dieser Bewegung resultiert eine axiale Verschiebung der Welle.
Diese als Axialdrift bezeichnete Bewegung wird neben der Lagerung
der Welle außerhalb
der Ideallage durch deren Oberflächenbeschaffenheit
und Rotationsgeschwindigkeit beeinflusst. Ein weiterer Grund für das Auftreten
der Axialdrift kann eine Durchbiegung der Welle auf Grund der Schwerkraft
entlang ihrer Längsachse sein.
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Während des
Prüfverfahrens
ist an die Oberfläche
der Welle ein Prüfkopf
angekoppelt. Durch die Rotation der Welle erfolgt eine Abtastung
entlang ihres Umfangs. Der Prüfkopf
beschreibt also auf der Welle idealerweise eine Kreisbahn. Ist die
Prüfung entlang
einer Kreisbahn abgeschlossen, so wird der Prüfkopf in Richtung der Längsachse
der Welle bewegt, um die Prüfung
in einem weiteren Abschnitt der Welle fortzusetzen. Dieser Vorgang
wird solange wiederholt, bis die gesamte zu prüfende Umfangsfläche der
Welle abgetastet wurde.
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Durch
die oben beschriebene Axialdrift kommt es jedoch dazu, dass sich
die Welle in axialer Richtung verschiebt und somit der Prüfsensor
entlang einer schraubenförmigen
Umlaufbahn auf der Oberfläche
der Welle geführt
wird, so dass die Welle nicht auf ihrer gesamten Umfangsfläche geprüft wird. Da
außerdem
im Extremfall die Welle aus ihrer Lagerung in den Rollenböcken driften
kann, muss diese Axialdrift vermieden werden.
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Bisher
wurden auftretende Axialdriftbewegungen mit Hilfe sogenannter Driftrollenständer aufgehalten.
Dabei handelt es sich um massive Konstruktionen, die die in axialer
Richtung wirkende Kraft aufnehmen. Um die durch die Axialdrift entstehende Kraft
innerhalb der durch die Konstruktion des Driftrollenständers bedingten
Weg- oder Kraft-Toleranzen (z. B. max. 5 Tonnen) halten zu können, muss
die Lage der Welle im Rollenbock sehr exakt eingestellt sein und
gegebenenfalls mehrfach optimiert werden. Bei Überschreiten der maximalen
zulässigen
Driftkraft muss die Welle angehalten und somit der Prüfvorgang
abgebrochen werden, um eine weitere Axialdrift der Welle zu verhindern,
damit die Driftrollenständer
nicht beschädigt
werden. Da die Ausrichtung der Rollenböcke nur im lastfreien Zustand
erfolgen darf, muss die Welle mit Hilfe eines Krans aus der Prüfvorrichtung
gehoben werden und nach erneuter Ausrichtung der Rollenböcke und
Einstellen der Rollenbockhöhe
wieder in die Prüfvorrichtung
eingebracht werden. Danach ist wiederum festzustellen, ob die festgelegten
Toleranzen für
die bei der Rotation der Welle auftretenden Driftkräfte jetzt
und dauerhaft eingehalten werden.
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Dieser
Optimierungsprozess ist sehr zeitaufwändig und muss gegebenenfalls
mehrmals durchlaufen werden. Erschwerend kommt dabei hinzu, dass
sich die Axialdrift oft erst nach mehrstündiger Rotation der Welle einstellt.
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Aus
der
JP 61130841 A ist
ein Verfahren bekannt, bei dem die Axialdrift einer auf Rollen gelagerten
Welle reduziert wird, indem diese an deren Axialenden mit einem
Fluid beblasen wird. Ein derartiges Verfahren eignet sich jedoch
nicht für
schwere Wellen.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur zerstörungsfreien
Prüfung
von rotationssymmetrischen Bauteilen anzugeben, bei dem die oben
genannten Probleme weitestgehend vermieden werden.
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Hinsichtlich
des Verfahrens wird die Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit einem
Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Danach wird
zur zerstörungsfreien
Prüfung
ein rotationssymmetrisches Bauteil rotierend in einer Prüfvorrichtung axial
verschiebbar gelagert, was hier lediglich bedeutet, dass das Bauteil
in axialer Richtung nicht fixiert ist. Eine axiale Verschiebung
ist jedoch im Rahmen der Lagerung, wenn auch gegen auftretende Widerstände wie
etwa durch Reibung hervorgerufen, möglich. Während der Rotation des Bauteils
um dessen Längsachse
wird eine mit einer Axialdrift des Bauteils korrelierte Größe gemessen
und in Abhängigkeit
von dieser Größe wird
eine der Axialdrift entgegenwirkende Kraft erzeugt.
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Das
Bauteil ist auf Rollen gelagert, wobei zumindest eine der Rollen
eine Antriebsrolle ist, um das Bauteil in Rotation zu versetzen.
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Gemäß der Erfindung
sind die Rollen auf mindestens zwei Rollenböcken angeordnet. Die Rollen
können
auf den Rollenböcken
verstellt werden, damit auf ihnen Bauteile unterschiedlicher Geometrie gelagert
werden können.
Weiterhin erleichtert die Anordnung der Rollen innerhalb von Rollenböcken eine leichte
Ausrichtung in axialer Richtung des Bauteils. Hierzu müssen lediglich
die gesamten Rollenböcke in
Längsrichtung
eines Bauteils verschoben werden.
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Zur
Erzeugung einer der Axialdrift entgegenwirkenden Kraft wird bei
einer Verfahrensvariante die Orientierung zumindest einer der Rollen
verändert.
In der Grundposition ist die Drehachse einer Rolle parallel zur
Längsachse
des Bauteils ausgerichtet. Bei Veränderung der Orientierung wird
die Drehachse um einen Winkel gedreht, so dass diese nicht mehr parallel
zur Längsachse
des Bauteils ausgerichtet ist und die Rolle schräg an dem Bauteil anliegt.
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Wenn
wenigstens zwei Rollen Antriebsrollen an unterschiedlichen Rollenböcken sind,
kann die der Axialdrift entgegenwirkende Kraft durch unterschiedliche
Antriebsmomente oder Antriebsgeschwindigkeiten der einzelnen Antriebsrollen
erzeugt werden. Bei dieser Methode können die Achsen der Rollen
starr bleiben. Sie müssen
also nicht schwenkbar ausgeführt
sein. Weiterhin ist die Änderung
der einzelnen Antriebsmomente bzw. der Antriebsgeschwindigkeiten
der Antriebsrollen leicht über
die Ansteuerung der Antriebsmotoren zu realisieren.
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Durch
die Merkmale der vorliegenden Erfindung wird erreicht, dass die
Axialdrift reduziert wird. Wenn die Messung fortlaufend, also kontinuierlich oder
in kurzen Abständen
erfolgt, ist auch eine fortlaufende Korrektur der der Axialdrift
entgegenwirkenden Kraft und somit der Axialdrift selbst möglich. Insbesondere
kann eine zeitnahe Korrektur der Axialdrift erreicht und gewährleistet
werden, so dass sich die Welle nicht bzw. nur innerhalb vorgegebener
Toleranzen axial verschiebt. Dadurch erfolgt die Messung auf einer
Kreisbahn und die Welle wird an ihrem gesamten Umfang geprüft wird,
während
die Lage der Achse der Welle ortsfest bleibt.
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Durch
die Reduzierung der Axialdrift lässt sich
außerdem
die Lagerung der Welle in der Prüfvorrichtung
beträchtlich
vereinfachen. Es entfällt
daher auch das aufwändige
Verfahren, das Bauteil aus der Prüfvorrichtung herauszuheben
und die Prüfvorrichtung
erneut zu einzustellen, um danach das Bauteil wieder in diese einzubringen,
wenn die zulässigen
Driftkräfte überschritten
wurden. Eine Prüfung muss
also wegen zu großer
Driftkräfte
nicht mehr vorzeitig beendet werden, was dazu führt, dass es keine Verzögerungen
bei der Prüfung
gibt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das rotationssymmetrische Bauteil eine Welle. Insbesondere ist
das Verfahren für
schwere geschmiedete Wellen geeignet, die beispielsweise über 100t
wiegen können.
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Zur
Messung einer mit der Axialdrift des Bauteils korrelierten Größe, kann
eine Driftkraft gemessen werden. Die Driftkraft ist die Kraft, die
durch die Axialdrift des Bauteils in dessen Längsachse verursacht wird. Die
Driftkraft kann unmittelbar dazu herangezogen werden, um die Größe der ihr
entgegenwirkenden Kraft zu bestimmen.
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Eine
weitere Möglichkeit
zur Messung einer mit der Axialdrift des Bauteils korrelierten Größe ist die
Messung des Driftweges. Der Driftweg ist der Weg, um den das Bauteil
durch die Axialdrift aus seiner Ursprungslage in Längsrichtung
bewegt wird. Idealerweise ist das Bauteil, was die Bewegung in seiner
Längsrichtung
betrifft, in Ruhelage. Bewegt sich das Bauteil jedoch in Längsrichtung,
so ist dies ein Maß für die auftretende
Axialdrift. In Abhängigkeit des
Driftweges wird eine dazu proportionale Kraft auf das Bauteil ausgeübt, die
der Axialdrift entgegenwirkt. Möglich
ist auch, dass eine der Axialdrift entgegenwirkende Kraft auf das
Bauteil ausgeübt
wird, sobald der Driftweg der Welle einen Schwellwert überschritten
hat. Dieser Schwellwert ist besonders einfach mit einem Näherungsschalter
zu ermitteln.
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Um
eine Schrägstellung
der Rollen zu erhalten wird beispielsweise die Orientierung der
Rollen durch Bewegung des Rollenbocks verändert. Dies ist eine besonders
einfache Art der Verstellung der Rollen, da lediglich der gesamte
Rollenbock drehbar ausgeführt
sein muss.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die
Orientierung bei mindestens einer Rolle einzeln verändert. Dies
erlaubt eine große
Variabilität
und daher eine genaue Einstellung der auf die Axialdrift entgegenwirkende
Kraft.
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Hinsichtlich
der Vorrichtung wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur
zerstörungsfreien Prüfung eines
rotierenden, axial verschiebbar gelagerten, rotationssymmetrischen
Bauteils, die eine Messeinrichtung zur Messung einer mit einer Axialdrift
des Bauteils korrelierten Größe und eine
Vorrichtung zur Erzeugung einer der Axialdrift entgegenwirkenden
Kraft umfasst.
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Die
Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wurden zusammen mit ihren vorteilhaften Ausgestaltungen bereits
im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert.
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Zur
weiteren Erläuterung
der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele
der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
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1 eine
Seitenansicht einer erfindungemäßen Vorrichtung
in einer schematischen Prinzipdarstellung,
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2 und 3 einen
Querschnitt durch bzw. eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung
ebenfalls in einem vereinfachten Prinzipbild,
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4 eine
Draufsicht, bei der gemäß der Erfindung
die Orientierung der Rollen durch Drehung des Rollenbocks verändert wird,
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5 eine
Draufsicht, bei der die Orientierung einer einzelnen Rolle verändert ist,
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6 eine
Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der die
Orientierung von zwei Rollen jeweils einzeln verändert ist,
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7 ein
Ausführungsbeispiel,
bei dem die der Axialdrift entgegenwirkende Kraft durch unterschiedliche
Antriebsmomente von zwei Antriebsrollen erzeugt wird,
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8 einen
Querschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
bei der die Orientierung einer einzelnen Rolle verändert ist,
die sich unterhalb der Längsachse
der Welle befindet,
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9–11 jeweils
eine Draufsicht, bei der die Orientierung einer einzelnen Rolle
verändert ist,
die sich unterhalb der Längsachse
der Welle befindet,
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Gemäß 1 befindet
sich ein rotationssymmetrisches Bauteil, im Beispiel eine Welle 2,
in einer Prüfvorrichtung
und ist dort mit ihrer Längsachse 3 auf
einer Mehrzahl von Rollen 4, 6, von denen in der
Figur zwei Rollen 4, 6 dargestellt sind, rotierend und
axial verschiebbar gelagert. Wenigstens eine dieser Rollen 4, 6 dient
als Antriebsrolle. Diese sind wiederum auf zwei Rollenböcken 8, 10 angeordnet. Desweiteren
befindet sich an der Stirnfläche
als Messeinrichtung eine Kraftmesseinrichtung 40, die zur Messung
einer mit der Axialdrift korrelierten Größe, wie hier der auftretenden
Driftkraft FD, während der Rotation der Welle 2 dient.
Alternativ kann als Messeinrichtung zur Messung einer mit der Axialdrift
korrelierten Größe eine
Einrichtung 41 zur Messung des Driftweges vorhanden sein.
Die Prüfvorrichtung
umfasst weiterhin einen Prüfkopf 42,
der an die Oberfläche
der Welle 2 angekoppelt ist und mit dessen Hilfe die zerstörungsfreie
Prüfung
der Welle 2 durchgeführt
wird. Bei Rotation der Welle 2 beschreibt dieser eine Kreisbahn 44 auf
der Oberfläche
der Welle 2.
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Gemäß 2 wird
die Welle 2 über
zwei als Antriebsrollen dienende Rollen 4 und 6 in
Pfeilrichtung 12 in Rotation ver setzt. Die Rollen 4, 6 weisen
in diesem Beispiel die gleiche Größe auf. Es ist jedoch auch
möglich,
dass sie unterschiedlich groß sind.
Die Kontaktpunkte P der beiden Rollen 4, 6 zur
Welle 2 liegen auf einer Geraden G, die sich beabstandet
von der Längsachse 3 unterhalb
dieser befindet. Die beiden Rollen 4, 6, die wegen
der unten beschriebenen Änderung
der Orientierung ballig ausgeführt
sind, befinden sich in der in 3 veranschaulichten
Situation in ihrer Grundposition. Das heißt, die Achsen 5 und 7 der
beiden Rollen 4, 6 liegen parallel zur Längsachse 3 der
Welle. Während
der Rotation der Welle 2 kann z. B. auf Grund ihrer Oberflächeneigenschaften
bei dieser eine Driftbewegung auftreten. Diese Driftbewegung führt dazu,
dass der in 1 dargestellte Prüfkopf 42 keine
Kreisbahn 44, sondern eine übertrieben eingezeichnete schraubenförmige Bahn 24 auf
der Oberfläche
der Welle 2 beschreibt, was jedoch das Prüfergebnis
unbrauchbar macht. Diese Axialdrift ist verursacht durch eine Driftkraft
FD in Richtung des Pfeils, die von der Kraftmesseinrichtung 40 gemessen
wird.
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In 4 ist
nun eine Situation dargestellt, bei der die Axialdrift durch Erzeugung
einer der Axialdrift entgegenwirkenden Kraft FE reduziert
wird. Als Vorrichtung dafür
dient der Rollenbock 8, der um eine Achse, die senkrecht
auf der Längsachse 3 sowie
der Zeichenebene steht, gedreht oder schräggestellt wird, so dass die
Orientierung der Rollen 4 und 6 verändert ist
und somit deren Achsen 5 und 7 nicht mehr parallel
zur Längsachse 3 der
Welle 2 stehen. Die Achsen 5 und 7 sind
jeweils um den Winkel α zur Längsachse 3 der
Welle 2 geneigt. Durch dieses Schrägstellen beider Rollenachsen 5, 7 beschreiben die
Kontaktpunkte der beiden Rollen 4, 6 auf der Oberfläche der
Welle 2 eine schraubenförmige
Bewegung, da die Kontaktpunkte der Rollen 4, 6 auf
der Welle 2 nicht in einer Ebene mit der Längsachse 3 der
Welle liegen. Dadurch wird eine der Axialdrift entgegenwirkende
Kraft FE erzeugt. Diese Kraft FE ist idealerweise
betragsmäßig gleich
der Driftkraft FD, so dass sich beide Kräfte kompensieren
und eine Axialdrift aufgehoben wird.
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Im
Ausführungsbeispiel
der 5 ist der Rollenbock 8 nicht drehbar.
Die der Axialdrift entgegenwirkende Kraft FE wird
durch die Veränderung
der Orientierung einer einzelnen Rolle 6 erzeugt. Während die
Rolle 4 zylinderförmig
ausgestaltet ist und in einer festen Position verharrt, wird die
wiederum ballig ausgeführte
Rolle 6 um eine senkrecht zur Längsachse 3 und Zeichenebene
orientierte Achse gedreht. Die Achse 5 der Rolle 4 ist
daher ständig
parallel zu der Längsachse 3 der
Welle 2. Grundsätzlich kann
auch in diesem Ausführungsbeispiel
nur eine der Rollen 4, 6 als Antriebsrolle vorgesehen
sein, während
es sich bei der anderen Rolle lediglich um eine Laufrolle handelt,
diese also nicht angetrieben ist. Möglich ist es weiterhin auch,
dass keine der beiden Rollen 4, 6 angetrieben
ist, wobei der Antrieb über
eine weitere, hier nicht dargestellte Rolle erfolgt
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Gemäß 6 wird
die der Axialdrift entgegenwirkende Kraft FE durch
die Änderung
der Orientierung durch Schrägstellung
oder Drehung beider Rollen 4, 6 erzeugt. Im Gegensatz
zu der in 4 dargestellten Situation erfolgt
jedoch die Schrägstellung
beider Rollen 4, 6 nicht durch eine Schrägstellung
oder Drehung des Rollenbockes 8. Dieser verbleibt in seiner
Ursprungslage. Die Rollen 4, 6 werden um eine
senkrecht zur Längsachse 3 und
Zeichenebene orientierte Achse einzeln gedreht, so dass die Achsen 5, 7 nicht
mehr parallel zur Längsachse 3 der
Welle 2 stehen sondern zu ihr um einen Winkel α geneigt
sind. In diesem Beispiel sind die jeweiligen Winkel α, der einzelnen
Rollen 4, 6 gleich groß. Es ist jedoch auch möglich, dass
diese verschieden groß sind.
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In 7 ist
eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung dargestellt.
Hierbei ist die Welle 2 auf zwei Rollenböcken 8 und 10 mit
jeweils zwei Rollen 4, 6 gelagert. Die Rollen 4, 6 werden
jeweils von einem Antrieb 16 angetrieben. An der Stirnseite der
Welle 2 befindet sich eine Kraftmesseinrichtung 40.
Diese registriert während
der Rotation der Welle 2 eine durch die Axialdrift hervorgerufene
Driftkraft FD und leitet die entsprechenden
Messsignale an eine Regeleinheit 30 weiter Optional kann
eine weitere Kraftmesseinrichtung 40 an der anderen Stirnseite der
Welle vorhanden sein, deren Signale ebenfalls an die Regeleinheit
weitergeleitet werden. In dieser Regeleinheit 30 werden
die Messsignale ausgewertet und bei Überschreiten eines bestimmten
Schwellwertes der Driftkraft FD erfolgt
eine Ansteuerung der Antriebe 16. Entsprechend der gemessenen
Driftkraft FD werden die Antriebe 16 der
beiden Rollen 4, 6 derart angesteuert, so dass
ihre Antriebsmomente oder Antriebsgeschwindigkeiten unterschiedlich
sind und somit eine der Axialdrift entgegenwirkende Kraft FE erzeugt wird.
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Anhand
der 8–11 wird
ein weiteres Beispiel der Erzeugung einer der Axialdrift entgegenwirkenden
Kraft FE beschrieben. Hierbei wird zusätzlich zu
dem aus 2 und 3 bekannten
Aufbau eine weitere Rolle 50, die als Lauf- oder Antriebsrolle ausgeführt sein
kann, verwendet. Wie 8 zu entnehmen, ist diese in
vertikaler Richtung unterhalb der Welle 2 angeordnet und
dreht sich in Richtung des Pfeils 14. Aus den 8 und 9 ist
ersichtlich, dass die zusätzliche
Rolle 50 ebenfalls wie die Rollen 4, 6 auf
dem Rollenbock 8 angeordnet ist. In der Grundposition der
Rolle 50 ist deren Achse 52 zur Längsachse 3 der
Welle parallel. Zur Erzeugung einer der Driftkraft FD entgegenwirkenden
Kraft FE wird die Rolle 50 schräggestellt
oder gedreht. Dies bedeutet, dass die Achse 52 der Rolle 50 um
einen Winkel β gegenüber der
Längsachse
der Welle 2 geneigt wird. In 10 ist
eine Situation dargestellt, bei der die Rolle 50 mit der
Achse 52 um den Winkel β1 geneigt ist. Durch diese Schrägstellung
wird auf die Welle 2 eine Kraft FE erzeugt,
die in diesem Beispiel nach unten zeigt. Wird die Antriebsrolle 50 mit
der Achse 52 jedoch in die andere Richtung um einen Winkel β2 geneigt,
so wie es in 11 dargestellt ist, so wird
die Kraft FE in die entgegengesetzte Richtung ausgeübt.
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- 2
- Welle
- 3
- Längsachse
- 4
- Rolle
- 5
- Achse
- 6
- Rolle
- 7
- Achse
- 8
- Rollenbock
- 10
- Rollenbock
- 12
- Pfeil
- 14
- Pfeil
- 16
- Antrieb
- 24
- schraubenförmige Bahn
- 30
- Regeleinheit
- 40
- Kraftmesseinrichtung
- 41
- Einrichtung
zur Messung des Driftweges
- 42
- Prüfkopf
- 44
- Kreisbahn
- 50
- Rolle
- 52
- Achse
- FD
- Driftkraft
- FE
- Kraft
- G
- Gerade
- P
- Kontaktpunkt