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Profilwellennormal für Zahnradflanken

Die präzise Messung periodischer Oberflächenstrukturen auf den Flanken von Zahnrädern gewinnt zunehmend an Bedeutung, da durch sie Rückschlüsse auf deren funktionale Eigenschaften in Antriebsbaugruppen wie Verschleiß, Wirkungsgrad und Laufgeräusche hergeleitet werden können. Deshalb hat die PTB ein Verfahren entwickelt, mit dem erstmalig wellenförmige Strukturen an Flankenflächen evolventischer Zylinderräder modelliert, verkörpert und insbesondere rückführbar gemessen werden können.

Zahnflanke des Profilwellennormals sowie ausgewertetes Spektrum

Die rückführbare Erfassung von wellenförmigen Oberflächenstrukturen an evolventischen Zahnflanken kann am einfachsten durch geeignete Prüfkörper sichergestellt werden. Allerdings zeigen jüngste Untersuchungen der PTB, dass die üblicherweise zur Ermittlung der wellenförmigen Formabweichungen an offenen Strukturen angewendete Fourier-Analyse (FFT) nur eingeschränkt anwendbar ist. Für die exakte spektrale Analyse mittels FFT sollte das Verhältnis von Messlänge zur größten vorliegenden Wellenlänge vergleichsweise groß sein (> 20) – eine Anforderung, die sich messtechnisch nicht immer realisieren lässt. Daher wurden sowohl ein Profilwellennormal als auch ein neues Auswerteverfahren entwickelt.

Bei der Herstellung des Normals war zunächst die Modellierung der Oberflächenstruktur wichtig. Sie musste die Übertragungskinematik ineinander greifender Zylinderradpaare berücksichtigen, um daraus die direkten Zusammenhänge zwischen der Oberflächenstruktur einer Evolventenflanke eines treibenden Rades und dem Laufverhalten eines getriebenen Rades herzuleiten. Da sich mehrere Zähne gleichzeitig im Eingriff befinden können, sind für die vollständige Beschreibung eines Zahnrades auch die Wellenstrukturen benachbarter Zähne modelliert. Das patentierte Profilwellennormal wird "Involute Waviness Artifact", kurz IWA, genannt. Als handlicher Prüfkörper eignet es sich für die Annahmeprüfung von Verzahnungsmessgeräten mit entsprechender Auswertung.

Das neuentwickelte Auswerteverfahren beruht auf der Bayes'schen Statistik. Wie messtechnisch und numerisch nachgewiesen wurde, ist es in der Lage, Wellen an offenen Strukturen gegenüber anderen Verfahren robust zu analysieren. Gemeinsam mit dem Profilwellennormal bildet es nunmehr die Grundlage für eine zuverlässige und rückführbare Analyse von Getriebeeigenschaften, die durch wellige Oberflächenstrukturen an Zahnradflanken bedingt sind.

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