Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Funktionsorientierte Filterung zur Beurteilung der Rauheit von hochfeinen Zahnflankenoberflächen

Forschungsziel:

Die Oberflächenrauheit im Zahnflankenkontakt hat einen maßgeblichen Einfluss auf das Einsatz-verhalten im Betrieb. Eine funktionsorientierte Trennung des Rauheitsprofils vom Primärprofil ist in der aktuellen Normgebung nicht vorgesehen, da die Filterparameter in Abhängigkeit des Rauheits-betrags und unabhängig von den Kontaktbedingungen im Wälzkontakt gewählt werden. Es wird der zentralen Fragestellung nachgegangen, bei welcher Wellenlänge eine Trennung des Primärprofils in ein Rauheits- und Welligkeitsprofil aus Sichtweise der Funktion vorgenommen werden sollte. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist ein Merkblatt zur funktionsorientierten Auswahl und Parametrie-rung von Filtern bei der Beurteilung der Zahnflankenrauheit. Es liegt die Arbeitshypothese zu Grund, dass in Abhängigkeit der Kontaktbedingungen im Wälzkontakt eine funktionsorientierte Trennung des gemessenen Profils in ein Rauheits- und Welligkeitsprofil möglich ist.

Lösungsweg:

1. Funktionsanalyse des Zahnflankenwälzkontakts zur Ableitung der Anforderungen an den Filter und die Filterparametrierung

2. Definition funktionaler Filterparameter nach derzeitiger Normgebung (Grenzwellenlängen)

3. Optimierung der Filterauswahl

4. Validierung der Auswertestrategie anhand von Prüfstandversuchen

5. Erstellung eines Merkblatt und Anwendung in industriellen Umfeld

Angestrebte Ergebnisse und Nutzen für KMU:

- Präziseren Übertragbarkeit experimenteller Erkenntnisse durch funktionsorientierte Auswertung

- Höhere Verbreitung leistungsfähiger Oberflächen und damit steigende Ressourceneffizienz

- Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit durch eine einheitliche Verwendung von Filtern und Behe-bung von Grenzfällen in der derzeitigen Normgebung

- Reduktion der Messunsicherheit auf den Rauheitskennwert durch Verbesserung der Qualitätssi-cherung

Ergebniszusammenfassung:

Bei der Rauheitsmessung von Zahnflanken werden sowohl Rauheits- als auch Welligkeitsanteile innerhalb des Oberflächenprofils erfasst, die mithilfe von Filtern unterschieden werden. Bislang erfolgt die Filterung nach Norm ausschließlich in Abhängigkeit vom arithmetischen Mittenrauwert Ra. Eine Berücksichtigung der geometrie- und lastbedingten Kontaktbedingungen im Zahnkontakt findet nicht statt. Im Rahmen des durchgeführten Forschungsprojekts wurde aufgezeigt, wie die Bedingungen im Zahnkontakt von der Belastung und der Geometrie abhängen. Auf der Basis dieser Betrachtung wurde ein Vorschlag zur Auswahl des Grenzwellenlängenfilters in Abhängigkeit von der Hertz’schen Abplattungsbreite erarbeitet. In intensiven Untersuchungen wurde aufgezeigt, wie sich unterschiedliche Filtergrenzwellenlängen auf verschiedene Rauheitskennwerte auswirken. Auf dieser Basis wurde eine funktionsorientierte Filterparametrierung unter Berücksichtigung der aktuellen Normgebung in Abhängigkeit von der Hertz’schen Abplattungsbreite abgeleitet. Anschließend wurde ein ganzheitliches Filterdesign entwickelt, welches neben der funktionsorientierten Trennung von Rauheit und Welligkeit die Robustheit der Rauheitskennwerte und die Unsicherheit der Mess- und Auswerteroute berücksichtigt. Es konnte mithilfe von Untersuchungen auf einem Verspannungsprüfstand nachgewiesen werden, dass die entwickelte funktionsorientierte Filterung in Kombination mit einer lokalen Betrachtung der Zahnflankenrauheit zu einer deutlich besseren Korrelation zwischen Einsatzverhalten und Rauheitsmessergebnissen führt als eine Auswertung der Zahnflankenrauheit nach bestehender Norm. Zuletzt wurden die Erkenntnisse in einem Merkblatt zusammengefasst. Das entwickelte Vorgehen zur Filterauswahl und -parametrierung entsprechend des Merkblatts ermöglicht erstmals eine funktionsorientierte Auswertung von Rauheitskennwerten, welche die Bedingungen im Zahnflankenkontakt inklusive der Belastung und der Geometrie berücksichtigt.