Nockenformmessung auf PTB-Niveau

Nockenwellen gehören zu den Komponenten in Verbrennungsmotoren mit den höchsten Genauigkeitsanforderungen. Die Präzision bei deren Herstellung geht unmittelbar in Laufruhe, Verbrauch, Emission und so weiter ein. Von zentraler Bedeutung ist deshalb die Nockenwellen-Messtechnik, oder viel mehr die Frage: Wie lassen sich Merkmale von Nockenwellen – etwa Grundkreisradien, Nockenhübe, Nockenhöhen, Winkellagen oder Durchmesser und Rundheiten sowie Geradheiten, Parallelitäten, Koaxialitäten usw. bis hin zu Oberflächengüten wie Rattermarken – messen beziehungsweise sicher auswerten? Denn beispielsweise eine bereits um wenige hundertstel Millimeter abweichende Nockenform hat eine Erhöhung der Kräfte bei der Ventilbetätigung zur Folge.

Für die Zustandserfassung und -bewertung von Nockenwellen gibt es unterschiedliche Messsysteme, von Standardgeräten bis hin zu hoch effizient arbeitenden Speziallösungen inklusive Auswertesoftware. Ein zuverlässiger Nachweis der Messgenauigkeit war bisher jedoch nur eingeschränkt machbar. Es gab bislang keine Möglichkeit der Rückführung auf nationale oder internationale Normale, weder Richtlinien noch Normen, in denen die Auswertungen von Nockenmessgrößen vollständig beschrieben sind. Folglich fehlen wesentliche Voraussetzungen zum Qualitätsnachweis. Aus diesem Grund hat Hommel-Etamic in einem Forschungsprojekt mit der Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig ein Nockennormal entwickelt sowie als Basis der gesamten Prozesskette die Validierung der Auswertealgorithmen und Zertifizierung der Software durchgeführt.

Ein zentraler Baustein auf dem Weg zu einer rückführbaren Nockenformmessung ist die Validierung der Auswertealgorithmen. Ziel ist die Vergleichbarkeit von Auswertestrategien und vor allem die losgelöste Betrachtung des Softwareeinflusses vom restlichen, rein mechanischen Messprozess. Denn: Messunsicherheiten, die in jedem Messprozess zwangsläufig gegeben sind, hängen nicht nur von der Genauigkeit der mechanischen Baugruppen oder von äußeren Einflüssen, sondern auch von der Qualität der Software ab. „Fehler bei Messungen treten nicht nur beim Abtasten auf, sie können auch beim Auswerten der komplexen Messdaten entstehen“, sagt Raimund Volk, Leiter Grundlagenentwicklung und Labor bei Hommel Etamic. Schon allein durch Rechnen mit gerundeten Zahlen kommt es zu Rundungsdifferenzen, die anwachsen.

Zum Zweck der anschließenden Zertifizierung der Auswertesoftware Turbo Shaft hat das Unternehmen seine über Jahrzehnte in der Praxis der Nockenwellenmessung optimierten Algorithmen der PTB zur Validierung offen gelegt. Getestet wurden alle Nockenwellen-spezifischen Kenngrößen. Die Basis für die Softwarezertifizierung bildeten synthetisch, von der PTB aus Regelgeometrien erzeugte Testdaten. Diese wurden als simulierte Messungen von der Turbo Shaft ausgewertet und als Testergebnis gespeichert. Der Vergleich der Testergebnisse mit den Referenzergebnissen ergab eine Messunsicherheit von unter o,1 µm. Damit ist die Software die erste PTB zertifizierte Nockenwellen-Auswertesoftware am Markt. Dem Anwender bringt dies Sicherheit und Rückverfolgbarkeit bei der Auswertung und eine Reduzierung der verbleibenden Messunsicherheiten bei der Nockenwellenbeurteilung.

Ebenfalls dem primären Ziel, die Messunsicherheiten zu verringern, dient die Entwicklung eines Nockennormals. Das werkstückähnliche Normal hat zwei exzentrische Kreisscheiben und zwei Nocken. Außermittige Zentrierbohrungen ermöglichen die Kalibrierung der exzentrischen Kreisscheiben auf Form und Maß in zentrischer Lage. Durch deren exzentrische Positionierung zu den Referenzflächen kommt es bei einer Messung auf einem Nockenwellenmessgerät zu den gewünschten Hubbewegungen. Die Werkstückachse wird über drei zylindrische Referenzflächen bestimmt. Die Winkelposition der exzentrischen Kreisscheiben sowie der Nocken bezieht sich auf eine ebene Referenzfläche. Das 300 mm lange und 1,4 kg schwere Nockennormal wurde aus einem Stück, aus Werkzeugstahl geschliffen. Die Kalibrierung des Nockennormals hat die PTB auf einem taktilen Form- sowie einem taktilen Koordinatenmessgerät durchgeführt.

Mit dem kalibrierten Nockennormal lassen sich erstmals praxisgerechte sowie zuverlässig rückführbare und damit vergleichbare Zustandserfassungen und -bewertungen von Messsystemen für die Messung von Nockenwellen realisieren. Dabei werden Form- und Maßabweichungen aller wesentlichen Messgrößen ausgewertet. Das Nockennormal eignet sich zur Überprüfung und für Maschinenabnahmen von Wellenmessgeräten.

„Das neue Nockennormal bietet schon auf Grund der Rückführbarkeit und Vergleichbarkeit eine höhere Zuverlässigkeit bei Messungen und damit eine Qualitätsverbesserung“, erklärt Rainer Barth, Teamleiter in der Produktentwicklung im Werk Stuttgart beim Automobilzulieferer Mahle. Der Konzern ist globaler Entwicklungspartner der Automobil- und Motorenindustrie. Nockenwellen fertigt er an unterschiedlichen nationalen und internationalen Produktionsstätten. An allen Standorten sind Nockenwellen-Messmaschinen im Einsatz, wie zum Beispiel die Hommel-Etamic CFM 3010. Diese kommen in produktionsnaher Umgebung sowie in Prüflaboren zur Anwendung. Im Vergleich zu früheren Kontrollmöglichkeiten, die im Wesentlichen auf geometrische Merkmale beschränkt waren, lassen sich mit dem neuen PTB zertifizierten Nockennormal auch die wirklich relevanten Profilprüfungen durchführen und damit an allen Produktionsstellen vergleichen. Das Nockennormal und die zertifizierte Nocken-Auswertesoftware von Hommel Etamic sichern erstmals die grundlegenden Voraussetzungen zum Qualitätsnachweis.

Hommel-Etamic, Villingen-Schwenningen www.jenoptik.com/de_Industrielle_Messtechnik_Hommel-Etamic