Een oplossing voor problemen bij het meten van de tanddikte van tandwielen

Net als schroeven en veren zijn tandwielen onderdelen die in zeer veel producten worden gebruikt. Afhankelijk van de toepassing wordt een breed scala aan tandwielen met uiteenlopende afmetingen, vormen en materialen gebruikt. Functies van tandwielen zijn even uitgebreid en worden in veel verschillende toepassingen gebruikt, waaronder niet alleen in elkaar grijpende tandwielen, maar ook tandwielen die in ingrijpen op assen, nokken en andere onderdelen. Alle tandwielen worden met hoge precisie geproduceerd.
Tijdens het gebruik treedt echter vervorming op als gevolg van slijtage. De afmeting van de tanddikte is bijzonder belangrijk en beïnvloedt zowel de tandwielsterkte als de beweging.
Op deze pagina wordt basisinformatie uitgelegd, zoals de namen van tandwielonderdelen, het concept van sterkte en de methoden voor het meten van de tanddikte. Bovendien introduceert ze een oplossing voor het meten van de tanddikte, dat voorheen zeer moeilijk en onnauwkeurig was en veel tijd en arbeid vergde.

Tanddikte van tandwielen
Oorzaken van veranderingen in de tanddikte van het tandwiel
Problemen bij conventionele tanddiktemetingen
- Meting van de tanddikte van het tandwiel met behulp van handgereedschap
- Problemen bij het meten van de tanddikte van tandwielen met behulp van een profielmeetsysteem
Oplossing voor problemen bij het meten van de tanddikte van het tandwiel
Samenvatting: Drastische verbetering en hogere efficiëntie bij moeilijke tanddiktemetingen

Tanddikte van tandwielen

Tanddikte is de dikte van een enkele tand op de steekcirkel. We leggen het hier uit aan de hand van een voorbeeld van een recht tandwiel, het meest voorkomende tandwieltype. De structuur van een recht tandwiel is zoals weergegeven in de figuur.

Oorzaken van veranderingen in de tanddikte van het tandwiel

Buigbelasting (buigmoment), contactdruk en drukbelasting worden uitgeoefend op de tandwieltanden terwijl het tandwiel draait. Wanneer een tand ingrijpt in een ander onderdeel, ontstaat wrijving op het tandoppervlak en dat veroorzaakt slijtage. Wanneer de tanddikte verandert als gevolg van vervorming of slijtage, wordt de speling groter en kan dit geluid, trillingen of andere problemen veroorzaken. Bij het gebruik van tandwielen moet volop rekening worden gehouden met de belastingen en slijtage. Wanneer de hardheid hoog is en het risico op schade door stampen klein, wordt de tandwielsterkte bepaald door de buigbelasting (buigmoment). Wanneer de hardheid laag is of wanneer het tandwiel langdurig werkt, wordt de sterkte bepaald door de sterkte van het tandoppervlak.

Veranderingen in tanddikte door buigbelasting (buigmoment)

Er wordt een grote belasting uitgeoefend op de tanden van het tandwiel en dit wordt de 'buigbelasting' genoemd. Buigbelasting is een belasting die wordt uitgeoefend op elke enkele tand. Wanneer de buigbelasting groter is dan de sterkte van het tandoppervlak, vervormt de tand.
De belasting die wordt uitgeoefend op een tand van een tandwiel kan worden begrepen met behulp van 'balktheorie' uit de materiaalmechanica. Bij een vrijdragende balk treedt spanningsconcentratie op aan de basis van de balk, wat resulteert in een grote belasting. Bij een tandwiel kan een tand ook worden beschouwd als een vrijdragende balk en wordt de belasting op de wortel beschouwd als een buigbelasting.

Buigbelasting kan worden berekend met behulp van onderstaande formule:

M = F × l = σ × Z

M: Buigbelasting
F: Belasting
I: Totale lengte van de tand
σ: Maximale buigspanning
Z: Doorsnedemodulus

Ter referentie: de dwarsdoorsnedemodulus is de waarde van het tandoppervlak gedeeld door zes. Maximale buigspanning is de waarde van de buigbelasting gedeeld door de doorsnedemodulus. Omdat tandwielen complexe vormen hebben, is een nauwkeurige berekening van de sterkte niet eenvoudig. Daarnaast moet ook rekening worden gehouden met variaties in de belasting als gevolg van de gebruiksomstandigheden.

Sterkte van het tandoppervlak

De sterkte van het tandoppervlak is de druklimiet die het tandoppervlak kan verdragen. Tandwielen maken contact met elkaar op de steekpunten om rotatiekracht over te brengen. Bij contact tussen tandwielen wordt elke tand herhaaldelijk onderworpen aan een grote kracht en ontstaan er slijtage of krassen op de tandoppervlakken. Kleine barstjes kunnen het soort schade veroorzaken dat pitting wordt genoemd.
Om dergelijke problemen te voorkomen, berekent men de sterkte op basis van de spanning genaamd Hertz' maximale contactspanning*, die het gevolg is van vervorming van het contactoppervlak, en verkrijgt zo vooraf de sterkte van het tandoppervlak voor de tandwielen die zullen worden gebruikt.

* Dit is de maximale spanning die wordt uitgeoefend op elastische contactdelen van twee objecten, zoals een bolvormig oppervlak en een ander bolvormig oppervlak, een cilindrisch oppervlak en een ander cilindrisch oppervlak, of een bolvormig oppervlak en een plat oppervlak.

Veranderingen in tanddikte door slijtage

Wanneer de wrijving met het andere deel dat aangrijpt op de tanden van het tandwiel groter wordt en er slijtage optreedt, wordt de tanddikte kleiner en wordt de speling groter. Wanneer de slijtage verder toeneemt, wordt de verontreiniging met smeerolie aanzienlijk. Het geluid en de trillingen nemen toe en de temperatuur van het tandwiel stijgt. De oorzaken van dergelijke slijtage zijn onder meer:

Onvoldoende sterkte van het tandwiel (sterkte van het tandoppervlak)
Verkeerde montage
Vervorming van tandwiel, as of ander onderdeel
Ondoeltreffende smeerolie

Onder tandwielslijtage wordt het volgende verstaan:

Polijsten: Fijne oneffenheden worden van het tandoppervlak verwijderd, waardoor het oppervlak spiegelglad wordt.
Abrasieve slijtage: Er worden onregelmatige lineaire groeven in de glijrichting op het tandoppervlak gevormd, waardoor slijtageplekken ontstaan.
Schrammen: Dit is een soort abrasieve slijtage. Er vormen zich lineaire groeven en het tandoppervlak ziet eruit alsof er met een vork in is gekrast.
Kerven: Er ontstaan afwisselend richels en scheuren op het tandoppervlak, waardoor de toestand ervan verslechtert.

Problemen bij conventionele tanddiktemetingen

Conventionele methoden voor het meten van de tanddikte zijn onder meer koordediktemeting, spanwijdtemeting van de tanden en meting over pinnen, die allemaal worden gemeten met handgereedschap. Ook worden profielmeetsystemen en tandwielmeetsystemen gebruikt. Maar zelfs voor een recht tandwiel, het gemakkelijkst te meten type, vereist meten vaardigheid en tijd. Bovendien wordt meten uiterst moeilijk in het geval van tandwielen met complexe vormen zoals spiraalvormige of conische tandwielen.

Meting van de tanddikte van het tandwiel met behulp van handgereedschap

Bij conventionele tanddiktemetingen met behulp van handgereedschap, zijn de gebruikte methoden meting van de spanwijdte van de tanden en meting over pinnen (kogels).

Meting van spanwijdte van de tanden — A

Spanwijdte tanden

Meting van spanwijdte van de tanden: Deze methode om de tanddikte te meten is de meest gebruikte methode. Een bepaald aantal tanden wordt tussen de sondes van meetinstrumenten zoals een micrometer gehouden om de lengte te meten en de tanddikte voor dat aantal tanden te berekenen. De gemeten waarde kan variëren afhankelijk van de contactcondities van het meetgereedschap. Omdat steek en tandvorm van invloed kunnen zijn op de meting, moeten er meerdere metingen worden uitgevoerd rond de gehele omtrek van het tandwiel, wat veel tijd kost.

Meting over pinnen: Deze methode voor het meten van de tanddikte wordt ook wel 'kogelmeting' genoemd. Ze kan worden gebruikt om de tanddikte van zowel een uitwendig als een inwendig tandwiel te meten. Bij het meten worden pinnen of kogels in tegenoverliggende tandgroeven geplaatst (wanneer het aantal tanden even is), of in tegenoverliggende tandgroeven die 180/z (°) verschoven zijn (wanneer het aantal tanden oneven is). Bij een extern tandwiel wordt de tanddikte bepaald door de buitenafmeting (diameter over de pinnen) te meten. Bij een intern tandwiel wordt ze gevonden door de binnenafmeting (diameter tussen de pinnen) te meten.

Problemen bij het meten van de tanddikte van tandwielen met behulp van een profielmeetsysteem

Een profielmeetsysteem meet en registreert het profiel van een voorwerp door het oppervlak met een stylus te volgen. De afgelopen jaren zijn er profielmeetsystemen ontwikkeld die een laser gebruiken in plaats van een stylus om complexe vormen te meten door het profiel contactloos te volgen. Sommige modellen zijn zelfs in staat om zowel de boven- als onderkant te meten.
Bij een profielmeetsysteem is het echter noodzakelijk om nauwkeurige meetlijnen te bekomen voor de tanden van het tandwiel.

Dit brengt de volgende problemen met zich mee.

Het meetwerk vergt veel tijd, inclusief tijd om het monster aan een mal te bevestigen en het te nivelleren. Ook zijn kennis en vaardigheden vereist met betrekking tot het gebruik van profielmeetsystemen om een voorwerp nauwkeurig waterpas te plaatsen.
De stylus van een profielmeetsysteem beweegt op en neer in een boog gecentreerd op het draaipunt van de stylusarm; de punt van de stylus beweegt ook in de richting van de X-as en veroorzaakt fouten in de gegevens op de X-as.
De gewenste lijn volgen met de stylus is buitengewoon moeilijk werk, en zelfs een kleine verschuiving van de stylus veroorzaakt een fout in de gemeten waarden.
Het is ook moeilijk om het aantal objecten te vergroten vanwege de noodzaak om specifieke meetlocaties aan te wijzen.
Slechts een deel van een object kan worden gemeten en evaluatie van het hele oppervlak is niet mogelijk.

Oplossing voor problemen bij het meten van de tanddikte van het tandwiel

De meetinstrumenten die doorgaans worden gebruikt om de tanddikte van tandwielen te meten, brengen problemen met zich mee, zoals de hoeveelheid tijd die nodig is om het voorwerp te positioneren en het feit dat de meting van driedimensionale voorwerpen en gebieden wordt uitgevoerd door middel van punt- of lijncontact. Om deze meetproblemen op te lossen, heeft KEYENCE de 3D Optical Profilometer VR Series ontwikkeld.
De VR-serie legt nauwkeurig de 3D-vorm van het volledige oppervlak van het voorwerp vast zonder het aan te raken. Het meet ook de 3D-vorm door het object op het platform in amper één seconde met hoge nauwkeurigheid in 3D te scannen. Het is in staat tot onmiddellijke en kwantitatieve metingen zonder fouten in de meetresultaten. In dit gedeelte worden enkele specifieke voordelen van de VR-serie geïntroduceerd.

Voordeel 1: Geen afwijkingen

Een grote verscheidenheid aan ondersteunende hulpmiddelen kan worden gebruikt om nauwkeurig loodrechte profiellijnen op het pc-scherm te tekenen op elke gewenste locatie in de gescande 3D-vormgegevens. Dit elimineert afwijkingen in de meetresultaten. Wanneer bijvoorbeeld de cilinderastool wordt gebruikt, kan de meetlijn op het tandwiel eenvoudig en nauwkeurig worden bepaald zonder afwijkingen.

Nadat een werkstuk is gescand, kan het profiel (dwarsdoorsnede) ook worden gemeten op locaties die verschillen van de locaties die bij eerdere metingen zijn gebruikt. Dit elimineert de noodzaak om hetzelfde voorwerp opnieuw in te stellen en te meten en maakt vergelijkingen met gegevens uit het verleden mogelijk.
De grote verscheidenheid aan ondersteunende hulpmiddelen maakt een eenvoudige en intuïtieve configuratie van de gewenste meetomstandigheden mogelijk. Naast de eenvoudige configuratie zorgen de ondersteunende hulpmiddelen ervoor dat het systeem gemakkelijk kan worden bediend, zelfs door beginners, waardoor het ook voor operators die niet met meten vertrouwd zijn mogelijk wordt in amper één seconde nauwkeurige metingen uit te voeren. Dit maakt het mogelijk om eenvoudig het aantal monsters te vergroten of trendanalyses uit te voeren voor meting en inspectie tijdens commerciële productie, alsook R&D, testen en evaluatie.

Voordeel 2: Meet de tanddikte van tandwielen met complexe vormen in amper één seconde.

De VR-serie verkrijgt oppervlaktegegevens (800.000 punten) voor de 3D-doelvorm in amper één seconde, waardoor de tijd die nodig is voor het meten van grote aantallen punten drastisch wordt verkort. Het meet onmiddellijk en nauwkeurig de maximale en minimale oppervlakte-onregelmatigheden op het gehele doeloppervlak van het tandwiel, waardoor een snelle evaluatie van het tandwiel mogelijk is op basis van de vooraf ingestelde tolerantie.
Meerdere sets efficiënt verzamelde meetgegevens kunnen in lijsten worden weergegeven en dezelfde analyse-inhoud kan tegelijkertijd op alle datasets worden toegepast.
Vormen van meerdere voorwerpen kunnen worden gemeten en de verschillen in de gegevens kunnen in één oogopslag worden bevestigd. Dit maakt het mogelijk om eenvoudig een kwantitatieve analyse en evaluatie uit te voeren van hoeveel verschil er is tussen een OK-onderdeel en een NG-onderdeel.

De VR-serie kan ook snel de tanddikte meten voor spiraalvormige of conische tandwielen, die voorheen moeilijk te meten waren vanwege hun complexe vormen. Alle meetresultaten worden gedigitaliseerd, waardoor het werk dat nodig is voor de daaropvolgende gegevensvergelijking en -analyse aanzienlijk vermindert.

Samenvatting: Drastische verbetering en hogere efficiëntie bij moeilijke tanddiktemetingen

Voorheen kostte het meten van de tanddikte van het tandwiel veel tijd, waardoor het aantal voorwerpen dat kon worden gemeten beperkt was. In sommige gevallen was meten door de complexe vormen helemaal niet mogelijk. De VR-serie kan ook voor deze vormen snel de tanddikte meten en kwantificeren. Hierdoor kan de VR-serie worden gebruikt voor een efficiëntere en geavanceerdere evaluatie van de kwaliteit van tandwielen.

Doordat het gehele oppervlak gemeten wordt, kan de VR-serie eenvoudig een groot gebied meten. Naast de vorm van het tandoppervlak kan ze ook verschillende parameters zoals ruwheid meten.
Dit elimineert afwijkingen als gevolg van menselijke factoren, waardoor echte kwantitatieve metingen mogelijk worden.
Zonder dat positionering of andere voorbereiding nodig is, kan de meting eenvoudig worden uitgevoerd door het voorwerp op het platform te plaatsen en op een knop te drukken. Hierdoor is het niet meer nodig een gespecialiseerde operator voor meetwerk aan te stellen.
3D-vormen kunnen eenvoudig met hoge snelheden en hoge nauwkeurigheid worden gemeten. Hierdoor is het mogelijk in korte tijd een groot aantal voorwerpen te meten en daarmee de kwaliteit te verbeteren.

Dit systeem maakt ook vergelijkingen met eerdere 3D-vormgegevens mogelijk, alsook eenvoudige gegevensanalyse, zoals ruwheidsverdeling. Het kan effectief worden gebruikt voor een breed scala aan doeleinden, waaronder trendanalyse van karakteristieken van breukoppervlakken als gevolg van temperatuurveranderingen en het controleren van de breukcondities.

INHOUDSOPGAVE