ISO 1328:2013 Verzahnungsgenauigkeit: Klassifizierung, Messung und Werkstattkontrolle

Fazit: Die Genauigkeitsklasse einer Verzahnung bestimmt, wie leise sie läuft, wie viel Last sie trägt und wie lange sie hält. Nach ISO 1328-1:2013 wird die Genauigkeit durch drei Abweichungsfamilien ausgedrückt – Teilung (Fp/fp), Profil (Fa/ff/fHα) und Flankenlinie (Fβ/fβ/fHβ) –, die in die Grade 0–12 eingeteilt werden. In der Produktionslinie zählt jedoch nicht das beste Einzelteil, sondern die Wiederholbarkeit der gesamten Charge, weshalb die statistische Prozesskontrolle (SPC) eine zuverlässige Fertigung untermauert.

Wo die Genauigkeitsgrade in der Praxis liegen

ISO-Grade 0–2 dienen Präzisionsinstrumenten; Grade 3–5 decken Hochgeschwindigkeitsgetriebe und Luftfahrtkomponenten ab; Grade 6–8 dominieren die industrielle Getriebefertigung; Grade 9–12 eignen sich für langsame Grobantriebe.

Die Fertigungskapazitäten für Präzisionsverzahnungen von PinyiGear umfassen die ISO-Grade 5–8, was die große Mehrheit der industriellen Getriebeaufgaben abdeckt.

Vergleich der internationalen Normensysteme

Drei Systeme sind weltweit in Gebrauch. ISO 1328:2013 ist die internationale Referenz und entspricht GB/T 10095; DIN 3961–3967 ist das deutsche System, weitgehend mit ISO abgestimmt und ergänzt durch DIN 5480-Verzahnungsnormen; AGMA 2015 ist das nordamerikanische System, das Buchstabenklassen A–D verwendet, die je nach Anwendung zugewiesen werden.

• System ISO 1328:2013: International
  • Einstufung: 0–12 (0 höchste)
  • Hinweise: Weit verbreitet; entspricht GB/T 10095
• System DIN 3961–3967: Deutschland
  • Einstufung: 1–12 (1 höchste)
  • Hinweise: Nahe an ISO; ergänzt DIN 5480-Verzahnungsnormen
• System AGMA 2015: Nordamerika
  • Einstufung: Buchstaben A–D
  • Hinweise: Klasse wird durch Anwendung festgelegt (Präzision, Handel, usw.)

Die drei Abweichungsfamilien von ISO 1328-1:2013 lesen

Teilung: Fp und fp

Fp ist die Gesamtteilungsabweichung – die algebraische Summe aller Einzelteilungsabweichungen – und sie bestimmt die Bewegungsgenauigkeit und den Teilungsfehler. fp ist die Einzelteilungsabweichung, der Unterschied zwischen der tatsächlichen und der theoretischen Teilung benachbarter Zähne, und sie bestimmt Laufruhe, Vibration und Geräusch.

In Servoantriebssystemen verdient fp mehr Aufmerksamkeit als Fp: Die im Betrieb auftretenden hochfrequenten Schwingungen lassen sich meist auf eine zu große fp zurückführen, während Fp den kumulativen Winkel fehler über eine Umdrehung festlegt.

Profil: Fa, ff und fHα

• Symbol Fa: Gesamtprofilabweichung
  • Bedeutung: Abweichung des Ist-Profils vom Soll-Profil
• Symbol ff: Profilformabweichung
  • Bedeutung: Restfluktuation nach Entfernung der Steigungsvariation
• Symbol fHα: Profilsteigungsabweichung
  • Bedeutung: Systematischer Eingriffswinkelfehler

Profilmodifikation ist in der modernen Konstruktion Routine geworden. Mikroentlastung an Zahnspitze und Zahnfuß, typischerweise 10–40 µm, ist ein wirksames Mittel, um Kantentragspannungskonzentration zu vermeiden. Zu weit getrieben verringert die Modifikation jedoch die Überdeckung und die Tragfähigkeit.

Flankenlinie: Fβ, fβ und fHβ

• Symbol Fβ: Gesamtflankenlinienabweichung
  • Bedeutung: Abweichung der Ist-Zahnlinie von der theoretischen Zahnlinie
• Symbol fβ: Flankenlinienformabweichung
  • Bedeutung: Restfluktuation nach Entfernung der Steigung
• Symbol fHβ: Flankenliniensteigungsabweichung
  • Bedeutung: Systematischer Zahnspurwinkelfehler

Lage und Größe des Tragbildes folgen direkt der Flankenlinienabweichung. Bei Schrägverzahnungen erzeugt eine zu große Fβ eine Fehlausrichtung, sodass ein Ende der Zahnbreite weit mehr Kontaktspannung trägt als konstruktiv vorgesehen und ein früher Ausfall viel wahrscheinlicher wird.

Wie die Prüfung durchgeführt wird

• Prüfungsart Einzelflanken: Profil, Teilung und Flankenlinie einzeln gemessen
  • Ausrüstung: Verzahnungsmesszentrum (GMC)
  • Erhaltene Kennwerte: Fa, Fp, Fβ einzeln
• Prüfungsart Summenprüfung: Eingriffsprüfung gegen ein Meisterrad
  • Ausrüstung: Verzahnungsrollprüfgerät
  • Erhaltene Kennwerte: Radial-Summenabweichung Fi"
• Prüfungsart Vollscan: Gesamte Zahnfläche in einer Aufspannung erfasst
  • Ausrüstung: CNC-GMC (Klingelnberg/Gleason/ usw.)
  • Erhaltene Kennwerte: Alle Parameter

Unsere Einrichtung stützt sich auf GMC-Vollparameterprüfung mit rückführbarer Kalibrierung, sodass die Genauigkeit auf Chargenebene nachverfolgt werden kann.

Toleranzwerte nach Grad (m_n = 3–6 mm, d = 150–300 mm)

• ISO-Grad Grad 5: 22
  • Fa (µm): 10
  • Fβ (µm): 10
  • Typische Verwendung: Hochgeschwindigkeits-Präzisionsantriebe, Luftfahrt
• ISO-Grad Grad 6: 32
  • Fa (µm): 14
  • Fβ (µm): 14
  • Typische Verwendung: Hochpräzisionsgetriebe, Werkzeugmaschinenspindeln
• ISO-Grad Grad 7: 45
  • Fa (µm): 20
  • Fβ (µm): 20
  • Typische Verwendung: Standard-Industriegetriebe
• ISO-Grad Grad 8: 63
  • Fa (µm): 28
  • Fβ (µm): 28
  • Typische Verwendung: Allgemeine Maschinen, landwirtschaftliche Geräte

Die obigen Zahlen stammen aus den Normtabellen von ISO 1328-1:2013. Die tatsächlichen Toleranzen variieren mit dem Teilkreisdurchmesser d und dem Normalmodul m_n.

Werkstattpraxis und wiederkehrende Probleme

Messtemperatur

Die Verzahnungsmessung gehört in einen Bereich von 20°C ± 1°C. Stahl dehnt sich mit etwa 11,5×10⁻⁶/°C aus, sodass eine Verzahnung mit Ø200 mm, die 5°C neben dem Nennwert gemessen wird, sich im Durchmesser um etwa 11,5 µm verschiebt – bereits nahe am Toleranzband von ISO-Grad 7.

Wahl des Bezugs

• Bohrungsbezogener Bezug, die übliche Wahl: Bohrungsrundheit nicht größer als 1/3 der Genauigkeitstoleranz.
• Zapfenbezogener Bezug: verwendet für Wellenverzahnungen.
• Die Bezugsfläche selbst muss 1–2 Grade enger sein als die Verzahnungstoleranz, sonst kann das Messergebnis nicht vertraut werden.

SPC in der Serienfertigung

Eine praktikable Stichprobenregel ist ein geprüftes Teil pro 25–50 Teile, wobei Fp/Fa/Fβ auf Regelkarten aufgetragen werden. Beobachtungen aus der Werkstatt:

• Änderungen der Abrichtfrequenz der Schleifscheibe zeigen sich zuerst bei Fa.
• Variationen der Wälzfräser-Schärfqualität zeigen sich zuerst bei fp und Fβ.
• Verzerrungsmuster aus der Wärmebehandlung benötigen mindestens 10 Chargen Daten, bevor ein brauchbares Modell erstellt werden kann.

Referenzen

• ISO 1328-1:2013 Stirnräder — ISO-System zur Klassifizierung von Flankentoleranzen
• AGMA 2015-1-A01 Genauigkeitsklassifizierungssystem — Tangentialmessungen
• DIN 3961-1978 Toleranzen für Stirnradverzahnungen
• Klingelnberg P-Serie Verzahnungsmesszentrum Betriebsanleitung