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Erfassung
Zunächst werden die Rohbilddaten der Zahnflanken im IR-Bereich in verschiedenen Lastzuständen aufgenommen. Diese Datensätze bilden die Grundlage für die spätere Differenzberechnung.
Video anschauenAutor: Sadler Fränz, edevis Gmbh
Automatisierte Tragbildprüfung mit Thermografie
Zahnradgetriebe sind zentrale Komponenten der Leistungsübertragung in Maschinenbau, Fahrzeugtechnik und Energieerzeugung. Abweichungen im Tragbild führen zu erhöhtem Verschleiß, Geräuschentwicklung und Leistungsverlusten und beeinträchtigen Zuverlässigkeit und Lebensdauer. Die von edevis entwickelte thermografische Tragbildprüfung erfasst lastbedingte Temperaturmuster an Zahnflanken – berührungslos und ohne Hilfsstoffe. So lässt sich sicherstellen, dass die Kraftübertragung im definierten Tragbereich erfolgt. Das Verfahren lässt sich als automatisierte Qualitätskontrolle direkt in den Fertigungsprozess integrieren.
Abb. 1 klassische Tragbildprüfung mit Tuschierpaste
Einleitung
Die Qualität der Verzahnung entscheidet über Effizienz, Laufruhe und Lebensdauer eines Getriebes. In der Elektromobilität ist dieser Zusammenhang besonders spürbar: Ohne die maskierende Geräuschkulisse des Verbrennungsmotors werden Verzahnungsfehler unmittelbar hörbar – und von Fahrern wie von Qualitätsprüfern sofort wahrgenommen. Doch die Relevanz reicht weit über den PKW-Antriebsstrang hinaus. Ob Nutzfahrzeuggetriebe unter Dauerlast, Windkraftanlagen mit ihren extremen Betriebszyklen oder Industriegetriebe in der Prozessfertigung – überall dort, wo Drehmoment zuverlässig übertragen werden muss, ist eine präzise Tragbildkontrolle entscheidend.Klassische Prüfmethoden stoßen dabei an ihre Grenzen.
Die manuelle Tuschierprüfung liefert subjektive Ergebnisse, ist zeitintensiv und lässt sich in automatisierte Produktionslinien kaum integrieren. Die thermografische Tragbildprüfung schließt diese Lücke. Sie misst Temperaturmuster an den Kontaktflächen berührungslos, reproduzierbar und in Echtzeit – ohne chemische Hilfsstoffe und ohne nachgelagerte Reinigung. Damit wird das Tragbild für eine vollautomatische 100-%-Prüfung zugänglich.
Die manuelle Tuschierprüfung liefert subjektive Ergebnisse, ist zeitintensiv und lässt sich in automatisierte Produktionslinien kaum integrieren. Die thermografische Tragbildprüfung schließt diese Lücke. Sie misst Temperaturmuster an den Kontaktflächen berührungslos, reproduzierbar und in Echtzeit – ohne chemische Hilfsstoffe und ohne nachgelagerte Reinigung. Damit wird das Tragbild für eine vollautomatische 100-%-Prüfung zugänglich.
Hintergrund
Bislang wird die Tragbildprüfung – vor allem bei Hypoidgetrieben – mit Farbauftrag und anschließender manueller Beurteilung durchgeführt. Dazu wird eine dünne Farbschicht (Tuschierpaste oder -lack) auf die zu prüfenden Zahnflanken aufgetragen. Werden die Zahnräder anschließend in Eingriff gebracht, wird die Farbe an den Kontaktstellen verdrängt. Das entstehende Abbild zeigt, wo die Flanken tatsächlich tragen. Ein Fachmann beurteilt anschließend visuell, ob Lage und Größe der Abdrücke dem Sollzustand entsprechen.Bei Abweichungen wird justiert – etwa durch nachträgliches Verschieben der Zahnräder zueinander (z. B. mit Passscheiben) oder durch Anpassen der Fertigungsparameter. Vor der Inbetriebnahme müssen zudem alle Farbreste rückstandsfrei entfernt werden.
Dieses Verfahren hat jedoch mehrere Nachteile:
Jeder Prüfvorgang erfordert Farbauftrag, Fügen der Teile und anschließende Reinigung mit erhöhtem Zeit- und Personalaufwand.
Die Bewertung erfolgt visuell, oftmals augenscheinlich. Das Ergebnis hängt von Erfahrung und Interpretation des Prüfers ab.
Der Abdruck zeigt nur den Summenabdruck der Kontakte, oftmals wird aus Zeitgründen nur an einem Teilsegment des Zahnrads der Tragpunkt geprüft. Lokale Abweichungen einzelner Tragpunkte können übersehen werden.
Manuelles Tuschieren lässt sich kaum inline in eine automatisierte Fertigung integrieren; 100%-Prüfungen sind praktisch nicht umsetzbar.
Ungleichmäßiger oder unvollständiger Farbauftrag können das Bild verfälschen. Diese Grenzen schaffen Bedarf für ein objektiveres, effizienteres Verfahren, hier setzt die thermografische Tragbildprüfung an.
Abb. 2 Aufbau der Messzelle mit Kamera und Antriebseinheit
Thermografische Tragbildprüfung
Bei der thermografischen Tragbildprüfung wird das Tragbild eines Zahnradpaars anhand der entstehenden Wärmebilder sichtbar gemacht. Unter definierter mechanischer Last erzeugt die Reibung der Zahnflanken (Wälzgleiten) ein charakteristisches Wärmemuster. Dieses wird mit einer Infrarotkamera für Schub- und Zugflanke erfasst, positionsgetreu der Zahn-Geometrie zugeordnet und dann Lage und Form des Abdrucks analysiert.
Systemarchitektur und Messaufbau
Das Prüfsystem besteht aus einem automatisierten Last-Prüfstand mit Antriebseinheit, einer Wärmebildkamera sowie zugehöriger Sensorik (vgl. Abb. 2: Aufbau der Messzelle mit Kamera und Antriebseinheit). Das zu prüfende Getriebe wird zwischen Antrieb- und Abtriebseite mit Drehmomentaufnehmer montiert und unter definiertem Drehmoment betrieben. Die Infrarotkamera ist so ausgerichtet, dass sie die im Eingriff befindlichen Zahnflanken eines Zahnrads erfasst. Die synchronisierte Steuerungs- und Auswertesoftware koordiniert alle Komponenten. So wird sichergestellt, dass die Kamera definierte Sequenzen aufnimmt während die Antriebsmotoren entsprechend gesteuert werden. Gleichzeitig verarbeitet die Software die aufgenommenen Wärmebilder; die Messdaten werden in Echtzeit analysiert und stellen somit eine relevante Regelgröße für vorgelagerte Fertigungs- und Montageprozesse dar.
Abb. 3 Ablauf der Thermografischen Tragbildauswertung
Objektive Auswertung und Erkennung des Tragbilds
Der Auswerteprozess der thermografischen Tragbildprüfung lässt sich in vier Schritte gliedern, die in Abbildung 3 dargestellt sind. Ziel ist es, aus den aufgenommenen Thermogrammen ein objektives und quantitativ messbares Abbild des tatsächlichen Tragbilds zu gewinnen.
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Differenzbildung und Segmentierung
Im darauffolgenden Schritt werden die Messungen miteinander verglichen. Durch eine Differenzberechnung werden Hintergrundanteile eliminiert, sodass die kontaktbedingten Temperaturerhöhungen resultieren. Die Differenzbilder offenbaren die Bereiche, in denen die Zahnflanken tatsächlich in Kontakt standen. Anschließend erfolgt die Segmentierung relevanter Flächen: Ein Algorithmus erkennt die tragenden Bereiche innerhalb der Region of Interest (ROI) auf der Zahnflanke und trennt sie von nichttragenden Bereichen.
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Entzerrung auf die projizierte Flächte
Da die Zahnflanke aufgrund ihrer Krümmung und der Kameraperspektive verzerrt erscheint, wird das segmentierte Tragbild rechnerisch entzerrt. Diese geometrische Projektion überträgt das erkannte Tragbild auf eine plane Fläche, die der realen Zahnflankengeometrie entspricht. Somit kann das Tragbild metrisch analysiert und mit CAD-Daten oder Sollkonturen verglichen werden.
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Objektive Bewertung und Merkmalsextraktion
Im letzten Schritt werden aus der entzerrten Fläche die relevanten Kennwerte automatisch berechnet. Dazu zählt insbesondere die Schwerpunktlage des Tragpunktes relativ zur Zahnflanke. Anhand festgelegter Sollwerte und Toleranzgrenzen entscheidet der Algorithmus, ob das Getriebe den Anforderungen entspricht.
Vorteile der thermographischen Tragbildprüfung
Temperaturdaten lassen sich quantitativ auswerten, was Wiederholgenauigkeit und Vergleichbarkeit ermöglicht. Zudem erreicht die Thermografie eine sehr hohe Empfindlichkeit und Auflösung: Selbst feine Kontaktabweichungen werden als Temperaturunterschied sichtbar, je nach Zahngröße mit submillimeter Präzision. Weiterhin erlaubt die Thermografie eine Einzelauswertung jeder einzelnen Zahnpaarung, welche individuell ausgewertet werden, anstatt nur einen Gesamtabdruck zu erhalten. Dies ermöglicht Rückschlüsse auf mögliche Geräuschbildungen.Thermografische Tragbildprüfungen sind wesentlich schneller als eine manuelle Tragbildprüfung, sowohl im Vor- und Nachbereiten als auch im Hinblick auf die Messzeit. Dies ermöglicht 100%-Kontrollen in der Serienfertigung. Die Automatisierung reduziert den Personalaufwand für die Prüfungsdurchführung, Kosten für Arbeitszeit und Verbrauchsmaterialien (Farbe, Reiniger) entfallen.
Automatisierung und Dokumentation
Jedes Prüfergebnis liegt bei der Thermografie automatisch in digitaler Form vor und kann lückenlos dokumentiert werden. Das schafft Rückverfolgbarkeit und bietet eine Regelgröße für vorgelagerte Fertigungsschritte, ebenso lassen sich Trends oder Muster erkennen. Die automatische Auswertung der Thermogramme garantiert eine stringente Bewertung nach festen Kriterien. Der Auswertealgorithmus entscheidet, ob ein Tragbild innerhalb der Toleranz liegt. Insgesamt wird die Tragbildprüfung damit vom manuellen Prüfvorgang zu einem digital integrierten Prozessschritt, der sich auch für Optimierung des fertigungsprozesses verwenden lässt.
Abb. 4 Live-Ausgabe der thermografischen Ergebnisse
Integration in bestehende Prozesse
Die thermografische Tragbildprüfung ist inline-fähig und lässt sich in bestehende Fertigungslinien integrieren. Um beide Flanken zu prüfen – die Zugflanke und die Schubflanke – wird das Getriebe in beiden Drehmomentrichtungen belastet. Dafür ist ein Antriebskonzept erforderlich, das sowohl antreibende als auch bremsende Last aufbringen kann. Sollen Zug- und Schubflanke getrennt erfasst werden, ist zusätzlich ein Handling-System – etwa ein 6-Achs-Roboter – erforderlich, um die Kamera für jede Flankenrichtung neu zu positionieren. Wird nur eine Flanke betrachtet, kann dieses Handling entfallen. In geschlossenen oder sehr komplexen Baugruppen können daher konstruktive Anpassungen oder zusätzliche optische Komponenten wie Spiegel oder IR-Fenster notwendig werden. Da metallische Oberflächen IR-Strahlung reflektieren und Fremdwärmequellen das Messbild verfälschen, ist der Prüfbereich thermisch abgeschirmt. Eine gezielte Kapselung der Messzone entkoppelt die Infrarotmessung von äußeren Störeinflüssen und stellt reproduzierbare Messbedingungen sicher.Auch wirtschaftlich sollten bestimmte Rahmenbedingungen berücksichtigt werden. Durch die hohe Prüfgeschwindigkeit lohnt sich die Integration besonders bei mittleren bis hohen Stückzahlen oder bei komplexen Baugruppen. Bei sehr kleinen Serien oder einfachen Bauteilen kann die klassische Methode ausreichend sein. Typischerweise ersetzt die Thermografie-Station einen manuellen Prüfstand und kann an dessen Stelle oder platzsparend dort installiert werden, wo ein konventioneller Prüfstand nicht unterzubringen wäre. Mit frühzeitiger Planung bezüglich Bauraum, Taktzeit und Schnittstellen läuft das System nach der Einrichtung stabil und zuverlässig.
Abb. 5 Prüfanlage von Außen
Fazit
Die thermografische Tragbildprüfung schließt eine Lücke, die klassische Tuschierverfahren strukturell nicht schließen können: Sie liefert objektive, reproduzierbare Ergebnisse – flankengenau, rückstandsfrei und taktzeittauglich für die Serienproduktion. Wo manuelle Prüfmethoden an Subjektivität, Reinigungsaufwand und fehlender Automatisierbarkeit scheitern, ermöglicht das Thermografiesystem von edevis eine 100-%-Prüfung unter realen Lastbedingungen.Die Technologie ist heute im Automobilbereich produktiv im Einsatz. Mit wachsenden Anforderungen an Verzahnungsqualität in Nutzfahrzeugen, Industriegetrieben und Energieanlagen wächst auch das Anwendungspotenzial – überall dort, wo Drehmoment zuverlässig übertragen werden muss und Ausfälle kostspielig sind.
Noch Fragen zur Tragbildprüfung?
Gerne unterstützen wir Sie dabei, die passende Lösung für Ihre Anforderungen in der Tragbildprüfung zu finden. Ob für Forschung, Serienprüfung oder individuelle Sonderanwendungen, unsere Thermografie-Technologien bieten vielseitige Einsatzmöglichkeiten. In einem unverbindlichen Gespräch klären wir gemeinsam, welches System optimal zu Ihrer Anwendung passt.
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