Die Zahnradprüfung umfasst die zerstörungsfreie und geometrische Untersuchung von Zahnrädern hinsichtlich Verzahnungsqualität, Flankengeometrie, Oberflächenbeschaffenheit und Werkstoffkennwerten. Als Prüflinge kommen Zahnräder unterschiedlicher Bauarten und Größen in Betracht, etwa Stirnräder, Kegelräder und Schneckenräder. Die Prüfung gliedert sich in mehrere Module: Probenvorbereitung und Prüflingsbeschreibung, Zahnflanken- und Tragbildmessung, Verzahnungsmessung mit Koordinatenmesstechnik, Oberflächen- und Rissprüfung mittels Magnetpulver- und Eindringverfahren, Härteprüfung sowie die Bewertung anhand einschlägiger Normen. Ziel ist der Nachweis der Funktionsfähigkeit, der Tragfähigkeit und der Dauerhaltbarkeit. Die Ergebnisse dienen der Beurteilung von Fertigungsqualität, Eingangs Kontrolle und Schadensanalyse und fließen in die Freigabe von Serienbauteilen ein.
Prüfobjekte und Probenvorbereitung
Vor jeder Messung ist der Zustand des Zahnrads zu dokumentieren. Erfasst werden Bauteilbezeichnung, Werkstoff, Wärmebehandlungszustand, Modul, Zähnezahl und Bezugsdurchmesser. Der Prüf ling muss gereinigt werden, da Ölfilm, Konservierungsmittel und Späne die Tast- und Optikmessung verfälschen. Dazu eignen sich Lösungsmittelreinigung oder ultraschallgestützte Reinigung mit anschließender Trocknung. Für die Rissprüfung sind zusätzlich Silikonen und Verunreinigungen in Zahnfußrundungen zu entfernen, da dort Risse bevorzugt auftreten. Referenzflächen wie Bohrung und Stirnfläche dienen als Mess- und Spannreferenz und sind auf Beschädigungen zu kontrollieren. Vor der Verzahnungsmessung wird das Rad auf einem Zahnradmessplatz oder einem Rundtisch fluchtend aufgespannt, mit Ausrichtfehler im Bereich weniger Mikrometer. Die Prüftemperatur sollte konstant bei Raumtemperatur liegen, da Temperaturdrift die Längenmessung beeinflusst. Eine lückenlose Probendokumentation mit Fotos der Einbaulage erleichtert die spätere Zuordnung der Messwerte.
Prüfverfahren
— Zahnflanken- und Tragbildmessung
Die Flankenmessung erfasst die Abweichungen der Zahnflanke von der Soll-Evolvente beziehungsweise von der Soll-Flankenlinie. Gemessen werden Profil-, Flankenlinien-, Teilungs- und Rundlaufabweichungen mit tastenden oder optischen Verzahnungsmessgeräten. Der Taster wird dazu mit geringer Messkraft radial über die Flanke geführt; ausgewertet werden die Abweichungsbeträge gegen die rechnerische Sollkontur. Das Tragbild wird ergänzend im Montage- oder Prüfgetriebe ermittelt. Hierzu wird Farbe oder Markierungsmittel auf die Flanken aufgetragen, das Radpaar unter leichter Last langsam gedreht und die Kontaktfläche anschließend fotographisch dokumentiert. Beurteilt werden Lage, Größe und Lageverschiebung des Tragbilds: Ein zum Zahnfuß oder zur Flankenspitze verschobenes Tragbild deutet auf Achsversatz, Verzahnungsfehler oder ungünstige Tragbildkorrektur. Die Kombination aus Einzelfehler- und Tragbildanalyse erlaubt eine Aussage über Geräuschverhalten, Tragfähigkeit und lokale Überlastung. Für Kegelrad- und Hypoidverzahnungen erfolgt die Tragbildprüfung auf Laufprüfmaschinen mit anschließender Geräusch- und Ratternbewertung.
Verzahnungsmessung
mit Koordinatenmesstechnik
Koordinatenmessgeräte mit spezieller Verzahnungssoftware ermöglichen die Messung von Verzahnungen ohne dediziertes Evolventengerät. Das Zahnrad wird auf einem Rundtisch oder über seine Bezugsbohrung zentriert aufgenommen. Die Software erzeugt aus den Eingangsdaten Modul, Zähnezahl, Druckwinkel und Schrägungswinkel ein Sollmodell und tastet die Flankenpunktwolke taktil oder per Laser ab. Aus den Punktdaten werden Profil-, Flankenlinien- und Teilungsabweichungen sowie Zahndicke und Rundlauf rechnerisch abgeleitet. Vorteile der KTM sind die freie Wahl der Messstrategie, die Ausrichtung auf Bauteilbezüge und die Messung integrierter Verzahnungen an Baugruppen. Für kleine Module kommen optische Sensoren oder computertomographische Messung infrage, die auch Innenverzahnungen und Zahnlücken erfassen. Bei der Auswertung ist auf korrekte Filtereinstellungen und Auswertebereiche zu achten, da diese die Abweichungswerte verändern. Ein Abgleich zwischen KTM-Ergebnis und Messplatzmessung an einem Referenzrad dient der Verifizierung des Messprozesses.
Oberflächen-
und Rissprüfung — magnetische und Eindringverfahren
Zur Aufdeckung von Oberflächenrissen im Zahnfuß und auf den Flanken eignen sich Magnetpulverprüfung und Eindringprüfung. Das Magnetpulververfahren ist auf ferromagnetische Werkstoffe beschränkt. Das Bauteil wird magnetisiert und mit fluoreszierendem oder schwarzem Magnetpulver versehen; Risse erzeugen Feldverzerrungen, an denen sich Partikel anlagern und unter UV-Licht als Anzeige sichtbar werden. Die Magnetisierung erfolgt in zwei Richtungen, meist als Joch- oder Durchflutungsmagnetisierung, so dass auch quer und längs verlaufende Risse erkannt werden. Für nichtmagnetische Werkstoffe wie gehärtete Nichteisenlegierungen wird die Eindringprüfung angewendet: Nach Reinigung wird Farbstoff- oder Fluoreszenzeindringmittel aufgetragen, überschüssiger Eindringmitter entfernt, Entwickler aufgebracht und die Anzeige nach definielter Einwirkzeit bewertet. Beide Verfahren decken Schleifrisse, Härterisse und Ermüdungsanrisse auf. Dokumentiert werden Lage, Länge und Orientierung jeder Anzeige je Zahn, typischerweise in Form eines Zähneschemas.
Härteprüfung und Werkstoffkennwerte
Die Härteprüfung sichert den durch Wärmebehandlung eingestellten Werkstoffzustand ab. Auf den Zahnflanken und im Zahnfuß wird die Oberflächenhärte nach Vickers oder Rockwell gemessen; die Mikrohärteprüfung an Schliffquerschnitten liefert die Härtetiefe als Härteverlauf über die Randzone. Zur Prüfung der Härtetiefe wird ein Zahnsegment metallographisch eingebettet, geschliffen und poliert, danach wird die HV-Härte in definierten Abständen vom Rand ermittelt. Ergänzend geben Gefügeuntersuchung die Rand- und Kernstruktur wieder, etwa Karbidverteilung, Oxidationszone und Aufkohlungsrandschicht. Für die Werkstoffidentität kommen Funkenemissions- und Röntgenfluoreszenzanalyse infrage, die ohne Probenentnahme die chemische Zusammensetzung bestimmen. Die gemessenen Härte- und Härtetiefenwerte sind mit den Zeichnungsangaben und den Anforderungen der Tragfähigkeitsberechnung zu vergleichen. Auffälligkeiten wie weiche Zonen oder ungleichmäßige Härtetiefe deuten auf Prozessabweichungen bei Ofen- und Abschreckbehandlung und lösen eine erweiterte Stichprobenprüfung aus.
Prüfkriterien
und Normen (DIN, ISO, AGMA)
Die Bewertung der Verzahnungsmessung erfolgt nach den Toleranzklassen der ISO 1328 beziehungsweise der DIN 3962-Reihe, die zulässige Profil-, Flankenlinien- und Teilungsabweichungen je Qualitätsstufe festlegen. Die Zuordnung der Prüfgrößen und die Angabe der Verzahnungstoleranzklasse regelt die ISO 1328 Teil 1, ergänzt durch nationales Schrifttum der DIN 3960 bis 3967. Für Tragfähigkeitsnachweise gelten die ISO 6336-Reihe für Stirnräder sowie die AGMA-Berechnungsdokumente, wie sie im nordamerikanischen Raum verwendet werden. Begriffe und Größen der Verzahnung sind in ISO 21771 definiert. Die Oberflächenprüfung folgt den Verfahrens- und Bewertungsregeln der ISO 9934 für Magnetpulverprüfung und der ISO 3452-Reihe für Eindringprüfung, jeweils mit zugehörigen Referenzkörpern zur Verfahrensprüfung. Für die Härteprüfung gelten ISO 6507 für Vickers, ISO 6508 für Rockwell und die Normenreihe zur Ermittlung der Einsatzhärtungstiefe. Der Prüfbericht weist je Merkmal Messwert, Toleranzgrenze und Beurteilung aus; Abweichungen führen zu gesperrten Bauteilen und einer Ursachenanalyse in der Fertigung.
FAQ
Welche
Anforderungen gelten für Proben bei der Zahnradprüfung?
Für die Zahnradprüfung sollten Zahnräder möglichst in einbaufertigem Zustand eingereicht werden, gereinigt und frei von Konservierungsölen. Je nach Verfahren – etwa Flankenmessung, Härteprüfung oder Rissprüfung – sind bestimmte Mindestgrößen und zugängliche Prüfflächen erforderlich. Die individuelle Probenvorbereitung stimmt das Prüflabor mit dem Auftraggeber ab.
Welches
Prüfverfahren eignet sich für welche Fragestellung in der Zahnradprüfung?
Für Geometrie und Verzahnungsqualität eignen sich Zahnflanken- und Tragbildmessung sowie Koordinatenmesstechnik. Oberflächenfehler und Risse werden mit magnetischen oder Eindringverfahren detektiert, während die Härteprüfung Werkstoffkennwerte liefert. Die Wahl hängt von Fehlerart, Werkstoff und geforderter Aussagekraft ab.
Nach
welchen Kriterien und Grenzwerten erfolgt die Bewertung in der Zahnradprüfung?
Die Beurteilung stützt sich auf die relevanten DIN-, ISO- und AGMA-Normen sowie die in der Zeichnung spezifizierten Toleranzen für Verzahnungsparameter, Härte und Oberflächenbeschaffenheit. Grenzwerte für zulässige Abweichungen, Rissanzeigen und Tragbilder werden anhand der Prüfkriterien des jeweiligen Standards und der vereinbarten Spezifikationen festgelegt.