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Schrauber testet Kurbelwellen

2007-04-16

Gauging-Software verwandelt Schrauber in Mess- und Prüfgeräte

Bei Daimler-Chrysler in Mannheim prüft eine Schraubspindel anhand des zu überwindenden Reibmoments die Leichtgängigkeit von Kurbelwellen. Sie entlarvt Montagefehler ebenso wie fehlendes oder überschüssiges Öl, Späne oder Einschlüsse von Fremdpartikeln.

Elektronisch gesteuerte Schraubspindeln nicht nur zum Schrauben, sondern auch zum Prüfen und Messen zu verwenden, ist vor allem in automatischen Montagestationen sinnvoll. Schließlich sind diese Spindeln im Grunde nichts anderes als Messgeräte zur Erfassung von Drehmoment und Drehwinkel, sprich von Kraft und Weg. Also lässt sich damit beispielsweise durchaus der Leichtlauf von Kurbelwellen (oder anderer sich drehender Teile) anhand der Reibwerte überprüfen. Und sie sind kostengünstiger als die sonst dafür benötigte klassische Messtechnik. Nimmt man baugleiche Spindeln zum Schrauben wie zum Prüfen, profitiert man zudem von bewährter Standardtechnik mit entsprechenden Systemvorteilen in Instandhaltung und Ersatzteilvorhaltung.

Darum prüft beispielsweise im Daimler-Chrysler-Werk Mannheim eine von fünf Schraubspindeln in der Kurbelwellen-Montagestation für die Lkw-Motoren der 900er Baureihe den Leichtlauf aller Kurbelwellen. Und zwar an Motoren mit Leistungen von 90 bis 240 Kilowatt (kW), die für die Mercedes-Nutzfahrzeuge Atego und Axor bestimmt sind.

Schrauber testet Kurbelwellen
Die in die Vorrichtung (im Bild links vor dem Motor) eingebaute Schraubspindel wird in ihrem ganzen Leben keine Schraube zu Gesicht bekommen. Denn sie ist nicht zum Schrauben, sondern nur zum Prüfen da: Sie prüft über ein so genanntes Gauging-Programm den Leichtlauf der Kurbelwelle nach der Lagerschalenmontage anhand der Reibwerte. (Bild: Atlas Copco Tools)

 

Der Ablauf: Von Hand werden die Lagerschalen ins Kurbelgehäuse eingesetzt und mit Öl geschmiert. Sodann wird die Kurbelwelle eingelegt und einmal per Hand gedreht, damit sich das Öl verteilt. Sind auch die oberen Lagerschalen aufgelegt und die Schraubbolzen eingesteckt, taktet die vormontierte Kurbelwelle in die Montagestation zur automatischen Verschraubung der Lager mit exakt 240 Newtonmeter (Nm). Die übernimmt ein ABB-Roboter, der vier Schraubspindeln führt. Vier reichen, da die Kurbelwellenlager dieser Motoren alle gleich sind.

Sobald der Roboter seine Arbeit verrichtet hat, kommt die fünfte Schraubspindel der Montagestation zum Zug. Sie setzt an der Welle an, dreht diese und prüft anhand des zu überwindenden Reibmoments die Leichtgängigkeit. Sollte die Kurbelwelle bei der Vormontage fehlerhaft montiert, schlecht oder gar nicht geölt sein, sich ein Span oder Schmutz in oder unter einer Lagerschale befinden – die Prüfspindel bemerkt das und meldet „nacharbeiten". Heute allerdings sehr viel seltener als früher. 

Denn die Prüfspindel arbeitet in Mannheim zwar seit Anfang 1995; doch bis vor etwa einem Jahr war sie nicht in der Lage, eine fehlerhaft eingelegte Kurbelwelle von einer ungleichmäßig geölten zu unterscheiden. Das lag daran, dass die zum Schrauben ausgelegte Spindelsteuerung für den Prüfmodus die Hilfe einer zusätzlichen Servosteuerung benötigte. Damit war es aber leider nicht (wie beim Schrauben) möglich, den Anstieg des Reibmoments über den Drehwinkel zu verfolgen und eine differenzierte Beurteilung des Reibwertverlaufs abzugeben beziehungsweise flexibel zu reagieren. Die kritischen Reibmomente musste man empirisch über simulierte Montagefehler ermitteln und konnte sie nur innerhalb starrer Grenzen überprüfen.

Schrauber testet Kurbelwellen
 
 
 
 
Fremdpartikeleinschluss in der Kurbelwelle, entlarvt durch die Gauging-Software anhand eines Anstiegs des Reibmomentverlaufs (siehe dazu die Kurve in Abbildung 2). (Bild: Atlas Copco Tools)

 
 




Neue Spindeln und Software bieten absolute Sicherheit

Dabei war nie ganz sicher, ob die „n.i.O." („nicht in Ordnung") gemeldete Kurbelwelle nicht vielleicht doch in Ordnung war und umsonst in die Nacharbeit ging. Wurde die vorgegebene Reibmomentgrenze zum Beispiel schon beim Andrehen der Kurbelwelle (Losbrechmoment) überschritten, musste das nicht unbedingt eine fehlerhafte Welle oder nicht richtig geölte Lager bedeuten. Vielleicht hatte sich das Öl nur noch nicht richtig verteilt. Dann wäre das Reibmoment schon nach drei Umdrehungen wieder unter den kritischen Wert abgefallen und keine N.i.O.-Meldung erfolgt, also unnötige Nacharbeit, sprich Demontage, erspart geblieben. Schließlich kostet jeder abgewiesene Motor Taktzeit und bindet Personal.

So war man in Mannheim sehr interessiert, als Atlas Copco Tools, der Hersteller der fünf Schraubspindeln in der Kurbelwellen-Montagestation, für seine QMX-Einbauspindel-Generation eine „Gauging-Software" vorstellte. Ein Standardprogramm, das über die Schraubersteuerung läuft, keinen zusätzlichen Servocontroller mehr benötigt und beim Messen und Prüfen erstmals die gleichen Steuer- und Analyse-Möglichkeiten bieten sollte wie beim Schrauben. Das klang vielversprechend.

Also schauten sich der für die Montagelinie der 900er-Motoren zuständige Instandhalter und sein Kollege aus der Planung an, was das Gauging-Programm kann. Als sie sahen, dass mit der neuen Spindel und dieser Software eine vollständige Erfassung und grafische Darstellung des Reibmomentverlaufs als Kurvendiagramm möglich ist, hatten sie gefunden, wonach sie lange gesucht hatten. Die Reibwerterfassung per Drehwinkel eröffnete ihnen neue Möglichkeiten der Auswertung und Optimierung des Prüfprozesses. Endlich war der Prüfablauf genau nachvollziehbar. Vorbei die Zeiten starrer Prüf- und Reaktionsgrenzen, die das Handikap der bis dato praktizierten Kurbelwellenprüfung mit der älteren Spindelbauart (QMR) war. Sie wurde denn auch wenige Monate später durch eine der QMX-Generation ersetzt und des Prüfprogramm auf ihre Power-Macs-Steuerung in Stand-alone-Ausführung geladen.

Nun wird das Reibmoment über den Drehwinkel der Prüfspindel aufgenommen. Das Gauging-Programm erkennt, ob eventuelle Schwergängigkeiten (besagtes Losbrechmoment) nur beim Anlauf auftreten oder ob es echte Anomalien im Reibwertverlauf gibt, die eine Nacharbeit erfordern. Und die Instandhaltung erhält zur Auswertung Kraft-Weg- oder Kraft-Zeit-Diagramme wie in den Abbildungen 1 und 2 (die Abbildungen finden Sie in der anhängenden pdf-Datei).

Jeder Testlauf beginnt erst einmal mit der Überprüfung der Positionierung der Kurbelwelle. Signifikant ist hierfür der Verlauf des Losbrechmoments. Im Gegensatz zu früher wird es heute erst nach einigen Winkelgraden (ab 20°) erfasst. Dann aber muss es innerhalb eines gewissen Rahmens liegen, den man anhand der Kurvenauswertungen genau hat definieren können. Andernfalls wird der Prüfvorgang abgebrochen. Denn dann steht fest: Die Kurbelwelle wurde fehlerhaft eingelegt.

Verläuft die Drehmomentkurve bei der ersten Umdrehung aber beispielsweise so wie in Abbildung 1, ist die Positionierung in Ordnung. Nun wird das Reibmoment überprüft. Bei jeder Umdrehung muss innerhalb weniger Winkelgrade der Übergang von der Haft- in die Gleitreibung erfolgen: abfallende Kurve. Fällt sie nicht, liegt ein Schraubfehler vor. Oder aber die Lager sind verschmutzt oder wurden nicht geölt.

Schrauber testet Kurbelwellen
 

 
 
Weist die Prüfspindel eine Kurbelwelle zurück, müssen die Lagerverschraubungen wieder gelöst, die Kurbelwelle herausgenommen und jede Lagerschale inspiziert werden. Darum ist es gut, wenn sich die prüfende Schraubspindel nicht irrt. (Bild: Atlas Copco Tools)


Spindelsteuerung dokumentiert jeden Prüflauf

Sobald die Kurbelwelle in Schwung ist, ändert sich das Reibmoment nur noch wenig. Wie viel zulässig ist, kann sehr genau vorgegeben werden. Bewegt sich die Reibmomentkurve innerhalb der gesetzten Grenzen, ist sicher: Die Kurbelwelle wurde ordentlich montiert.

Jeder Prüflauf wird protokolliert und dokumentiert; vorerst allerdings nur im Speicher der Spindelsteuerung. Will man den Reibwertverlauf analysieren, kann anhand der jeweiligen Motornummer auf die Testdaten der letzten 40 Kurbelwellenprüfungen zugegriffen werden. Das reichte bislang. Doch könnten die Daten über die TCP/IP-Adresse der Power-Macs-Steuerung ebenso gut auch zentral gespeichert werden. Davon wird der Zertifizierungsprozess der Mannheimer eines Tages wohl auch Gebrauch machen.

Freut sich der Instandhalter heute über die vielfältigen Analyse- und feindosierbaren Steuermöglichkeiten des Prüfprozesses („Bei der früheren Prüftechnik konnten wir immer nur mit Absolutwerten arbeiten!"), so schätzt sein Planungskollege die Anpassungsfähigkeit des Prüfsystems: „Bei Weiterentwicklungen an den Motoren muss anlagentechnisch mit vertretbarem Aufwand nachgezogen werden können – das hat die alte Prüftechnik bei weitem so nicht hergegeben, wie es mit der jetzigen Software möglich ist."