antriebstechnik 9/2017

03 Methoden der

03 Methoden der Welligkeitsauswertung 1 Messkurven Profil der Flankenlinie 2 3 4 1 13 24 36 f1 f13 f24 f36 Einzelauswertung mittleres Spektrum 1 2 3 4 Kombination der Messkurven – phasenrichtig – incl. Überlappung Ausgleichssinus Spektrum Gemeinsame Auswertung – Welligkeit über dem Drehwinkel 04 Welligkeitsanalyse an zwei geschliffenen Zahnrädern 0.44 Spektrum Profil rechts 0.23 0.13 0.05 0.06 0.07 Welligkeit über dem Drehwinkel O=47, A=0.44 µm 47 0.09 94 141 188 235 301 Flankenlinie rechts 0.5 µm 0.13 leise 5 6 7 8 9 10 1.0 µm O=442, A=0.13 µm 47 442 4 5 6 7 8 9 0.21 0.27 0.17 0.18 Profil rechts 0.11 O=57, A=0.27 µm 47 57 94 141 235 0.21 Flankenlinie rechts 0.09 0.08 laut 5 6 7 8 9 10 O=57, A=0.21 µm 57 104 1.ZE 3.ZE 5.ZE 8.ZE 442 4 5 6 7 8 9 Kurven zueinander passen. Die leise Verzahnung weist im Profil eine hohe Amplitude in der Zahneingriffsordnung und ihrer Vielfachen auf. Verursacht ist diese durch die schon in Bild 02 deutlich erkennbare systematische Formabweichung im Profil. Die Zahneingriffsordnungen und Vielfache finden sich auch in geringerer Amplitude an der lauten Verzahnung. Unter Umständen können auch diese Ordnungen geräuschverursachend sein. Schließlich weist die Flankenlinie eine hochfrequente Ordnung 442 auf, die in der Regel nicht geräuschrelevant ist und die direkt oder indirekt vom Axialvorschub erzeugt wird. In der Praxis zeigt sich, dass es oft eine gute Korrelation zwischen der Geräuschmessung und der Welligkeitsanalyse gibt. Das vorgestellte Beispiel macht aber auch deutlich, dass ein offensichtlich schlechteres und periodisches Profil am leisen Rad nicht geräusch- 110 antriebstechnik 9/2017

GETRIEBETECHNIK verursachend sein muss, sondern hier eine im grafischen Vergleich in Bild 02 kaum erkennbare Welligkeit am lauten Rad geräuschverursachend ist. Ein Rückschluss ausgehend von Welligkeitsordnung und Amplitude auf ein Geräuschverhalten im Getriebe ist daher meist nur zielführend, wenn die kritischen Geräuschordnungen konkret oder allgemein für das Getriebe bekannt sind. 05 Topografiedarstellung und Schrägungswinkel der Welligkeit Kopf Topografie rechte Flanke Fuss leise O(1)=47 ßw=0,6° Die Richtung der Welligkeit Für die vertiefte Untersuchung von Welligkeiten auf Zahnflanken im Hinblick auf Ursache und Wirkung ist die Messung von vielen Schnitten auf einzelnen Zahnflanken hilfreich. In Form einer Topografiedarstellung können die Abweichungen farbcodiert über Zahnbreite und Wälzweg aufgetragen werden, Bild 05 links. Eingezeichnet ist hier sowohl der Istwert des Schrägungswinkels ß w als auch der Grundschrägungswinkel ß b . ß w berechnet sich für jede Ordnung aus der Phasenverschiebung der Welligkeiten in den einzelnen Schnitten. Jede Ordnung kann also einen anderen Schrägungswinkel aufweisen. Während des Abwälzens mit dem Gegenrad wandert die um ß b geneigte Kontaktlinie über die Zahnflanke. Es ist bekannt, dass Welligkeiten, die einen Schrägungswinkel ähnlich ß b aufweisen, geräuschanregend sind, da die Kontaktlinie sich beim Abwälzen dann durch Berg und Tal bewegt [2], [6], [7]. Rechts im Bild 05 sind die Topografien der betrachteten leisen und lauten Verzahnung gegenübergestellt. Die Ordnung 57 der lauten Verzahnung weist einen Schrägungswinkel ß w auf, der dem Grundschrägungswinkel entspricht. Die dominante Ordnung 47 der leisen Verzahnung weist einen Schrägungswinkel von annähernd 0° auf. Diese Ordnung taucht daher im Spektrum der Flankenlinie nicht auf. Die Vielfachen der Zahneingriffsordnungen deuten sich bei beiden Rädern in der Topografie in Form von Welligkeiten mit kürzeren Wellenlängen unter einem Schrägungswinkel ß w = 0° an. Die zur Berechnung und Darstellung verwendete Software ‚Welligkeitsanalyse‘ erlaubt es hier, per Klick von Welligkeit zu Welligkeit zu navigieren. In Bild 06 sind zusammenfassend die heute verwendeten Verfahren zur Welligkeitsauswertung von Messungen an Verzahnungen zusammengestellt. Das Standardverfahren basiert auf der Messung aller Zähne und erlaubt die gemeinsame Auswertung über dem Drehwinkel. Dieses Verfahren sollte angewendet werden, wenn wenig Erfahrungen mit der aktuellen Verzahnung im Hinblick auf Geräuschanregung vorliegen und eine exakte Korrelation zwischen einer Geräuschordnung und Welligkeitsordnung gesucht wird. Die Messung kann ergänzt werden durch die aufwändigere Messung mehrerer oder vieler Schnitte. Dann ist die Berechnung des Schrägungswinkels der Welligkeit möglich. Dieser gibt Hinweise auf die Wirkung der Welligkeit beim Abwälzen. Auch die Entstehung der Welligkeit spiegelt sich u. U. im Schrägungswinkel wieder. Dies ist Gegenstand aktueller und zukünftiger Untersuchungen. Für eine serienbegleitende Beurteilung der Welligkeit auf Verzahnungsoberflächen kann die Einzelauswertung genutzt werden. Diese basiert auf der Standardmessung von vier Zähnen. Sie erfolgt automatisch nach jeder Messung und erfordert damit nur den Aufwand einer einmaligen Einrichtung. Die Ergebnisse können als PDF abgelegt, in der Datenbank der Software QS-Stat oder in Tabellenform gespeichert werden. Über eine Datenbankauswertung ist die Untersuchung einer Korrelation der Welligkeitsausprägung mit Parameteränderungen an der Werkzeugmaschine möglich. Werden die Ergebnisse der Welligkeitsanalyse direkt dem Maschinenbediener übermittelt, kann er diese mit dem Maschinenverhalten oder Parametern wie dem Abrichtzyklus in Verbindung bringen. Darüber hinaus ist es bei bekannten Problemen möglich, im Spektrum Toleranz- und Eingriffskurven zu definieren, um frühzeitig Qualitätsprobleme zu verhindern. Letztlich ist diese Art der Auswertung aber unschärfer, da bei der Berechnung des mittleren Spektrums die Phasenlage nicht berücksichtigt werden kann (siehe Kapitel 3). Durch die kleinere Datenbasis gehen Formabweichungen stärker ein. Für eine erfolgreiche Nutzung dieser Auswertemethode zur Zahnbreite 06 Lh Wälzweg Lp Lp: Wellenlänge Profil Lh: Wellenlänge Flankenlinie ßb: Grundschrägungswinkel ßw: Schrägungswinkel der Welligkeit Serienbegleitung Fertigungsüberwachung ist es daher sinnvoll, erst Erfahrungen zur Geräuschrelevanz der real auftretenden Welligkeiten zu sammeln. Ursachensuche laut O(1)=57 ßw=27.1° Methoden der Welligkeitsanalyse in der Praxis Standardmessung 4 Zähne + automatisch + „kein“ Aufwand – unschärfer Welligkeitsanalyse Messung aller Zähne + exakt + exakt + ßw – aufwendiger – 2,0 µm 2,0 µm Ursachensuche Messung aller Zähne Topografie 1 Zahn Kann ein Geräusch eindeutig dem Zahnrad zugeordnet werden und entspricht die Welligkeit auf den Zahnflanken der Geräuschordnung, so folgt im nächsten Schritt die oft aufwändige Suche nach den Entstehungsursachen. In Bild 07 sind einige Ursachen von Welligkeiten dargestellt, wie sie in [1] und [2] genannt werden. Das Werkstück kann zur Entstehung von Welligkeiten beitragen, wenn die Steifigkeit der Aufspannung zu gering ist. Dadurch kann es den sich ändernden Bearbeitungskräften mehr oder weniger ausweichen. Große und periodische Abweichungen aus der Vorbearbeitung können den Fertigbearbeitungsprozess anregen und schließlich wirken sich alle Fehler des Werkzeugs im Verhältnis der antriebstechnik 9/2017 111