Getriebe Das Spiel mit dem Verzahnungsspiel

Von Christoph Stancel

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Präzise Verzahnungen werden für unterschiedliche Anwendungen benötigt. Um das Verzahnungsspiel auszugleichen, gibt es nicht die eine Lösung, die immer anzuwenden ist. Im Gegenteil: Es gibt mehr Konzepte als den meisten bewusst ist.

Bei den horizontalen Schlauchbeutelmaschinen der Loesch Verpackungstechnik GmbH sind spielarme Lösungen gefragt.
Bei den horizontalen Schlauchbeutelmaschinen der Loesch Verpackungstechnik GmbH sind spielarme Lösungen gefragt.
(Bild: Loesch)

Das Flankenspiel von Verzahnungen begegnet uns immer wieder auch im Alltag: Beim Bedienen des Bohrfutters der Bohrmaschine, beim Wechsel in den Rückwärtsgang in der Parklücke, beim Zähneputzen mit elektrischer Zahnbürste – in allen Fällen gibt es diesen kleinen Moment der „Leere“.

Für viele Maschinen ist so ein Flankenspiel weder funktionsbeeinträchtigend noch störend. Aus gutem Grund wird hier über die Zahndickenabmaße ein großzügiges Spiel eingeplant: Die Montierbarkeit ist auch bei größeren Abweichungen noch realisierbar, der Schmierstoff kann neben dem Kopfspiel noch das Flankenspiel als Reservoir nutzen und auch bei Erwärmung und Quellen laufen die Zahnräder noch ohne erhöhten Widerstand.

Wenn spielfreie Verzahnungen erwünscht sind

Es gibt jedoch auch zahlreiche Fälle, bei denen eine übliche Auslegung der Verzahnung nicht ausreicht und das Umkehrspiel optimiert werden muss: Positionierantriebe wie man sie häufig in der Robotik oder dem Sondermaschinenbau findet, können mit üblichem Flankenspiel weder präzise noch dynamisch positioniert und geregelt werden. Äußere Kräfte, zum Beispiel das Gewicht eines Bauteils, entscheiden über die genaue Lage des Endeffektors. Für den Regelungstechniker ist das Spiel bei Drehrichtungswechsel eine weitere Nicht-Linearität, auch wenn die genaue Position bekannt ist. Müssen Bauteile präzise synchronisiert werden, beispielsweise in Drehkolbenpumpen und Verpackungsmaschinen, ist ebenfalls eine spielarme oder spielfreie Verzahnung gefragt.

Aber auch beim Endkunden finden sich Produkte, bei denen ein merkliches Umkehrspiel inakzeptabel ist: Drehknöpfe im Auto oder an Haushaltsgeräten vermitteln nur ein Gefühl von hochwertiger Verarbeitung, wenn diese direkt ansprechen und sich spielfrei anfühlen. Eine weitere wichtige Eigenschaft von spieloptimierten Getrieben: geringere Geräuschemissionen. Denn eine Reduktion des Spiels verringert den Eingriffsstoß im Zahnkontakt insbesondere bei Drehrichtungsumkehr oder schwankendem Drehmoment am An- oder Abtrieb. In Extremfällen kann allein durch Spielminderung eine Geräuschreduktion von 10 dB erreicht werden.

Maul Konstruktionen bietet Konzepte zur Spielreduktion

Bei Maul Konstruktionen beschäftigt man sich bereits seit langem mit Konzepten zur Spielreduktion und deren Eignung für unterschiedliche Anwendungen. Das Konstruktionsbüro bietet Dienstleistungen wie Spielanalyse, Beratung, Verzahnungsauslegung und Getriebekonstruktion an und konstruierte individuelle Getriebe in kleineren Stückzahlen. Auch die Begleitung zur Serie ist Teil der Angebotspalette. Für den Entwickler, der Anregungen für das selbstständige Arbeiten sucht, bietet Maul Konstruktionen einen umfangreichen Konstruktionskatalog mit neun Konzeptgruppen und über 60 Beispielen zur Spielreduktion bei Verzahnungen.

Modell einer stark konischen Verzahnung (links) neben einer Schrägverzahnung (rechts)
Modell einer stark konischen Verzahnung (links) neben einer Schrägverzahnung (rechts)
(Bild: Lösch)

Um den Spalt zwischen den Zahnradflanken zweier Zahnräder zu überbrücken, können die Flanken in Radial-, Axial- oder Tangentialrichtung zueinander verschoben werden (Unterteilung von Karlheinz Roth). Zum Beispiel werden viele Katalog-Getriebe angeboten, bei denen leicht konische Räder axial mit einer Feder vorgespannt werden. Außenverzahnte Räder können geweitet werden, innenverzahnte Räder im Durchmesser verkleinert werden (beides radial). Ebenfalls am Markt erhältlich sind Schrägverzahnungen, bei denen ein Rad geteilt ist und die Hälften axial zueinander verschoben werden. Auf diese Weise nähern sich die Flanken in Axial-Tangential-Richtung.

Wenn der Spalt von vornherein nur klein ausgelegt wird, kann man auf die Ausgleichsmaßnahmen verzichten. Dann muss jedoch eine präzise Fertigung erfolgen oder ein Einlauf eingeplant werden. Einige Getriebehersteller fertigen miteinander kämmende Bauteile paarweise, Pumpenhersteller lassen diese teilweise einlaufen, in einigen Fällen lohnt sich auch ein Sortieren von Bauteilen zueinander. Ein Klassifizieren von Getrieben nach Genauigkeit am Ende der Fertigung ist auch möglich. Bei Kegelradverzahnungen ist ein Wechsel auf Kronradverzahnungen zu überlegen – statt zuvor fünf sind für das Ritzel der Kronradverzahnung nur noch vier Toleranzen einzuhalten: Die Lage in Axialrichtung beeinflusst das Spiel nicht.

Spieloptimierung in zwei sehr unterschiedlichen Anwendungen

Wenn ein neuer Kunde Maul Konstruktionen mit einer Spieloptimierung beauftragt, wird zunächst geprüft, was genau gefordert ist und was die Randbedingungen sind. Zwei Beispiele:

  • 1. Im Rahmen eines kürzlich bearbeiteten Auftrages überarbeitete Maul Konstruktionen mehrere Verzahnungen für ein neues Haushaltsgerät. Das ambitionierte Ziel: eine präzise Verstellung im Betrieb zu ermöglichen mit massentauglichen Fertigungsverfahren in der Herstellung. Die Kunststoffzahnräder werden im Spritzgussverfahren gefertigt, das Gehäuse ist ein Druckguss-Bauteil. Die Spanne der Achsabstandstoleranz des Serienproduktes ist aufgrund der langen Toleranzkette groß – insbesondere in Relation zur Größe der Zahnräder. Die Lösung: Maul Konstruktionen hat einen Weg gefunden, die Verzahnung stark konisch zu gestalten, sodass auch bei maximaler Schwankung des Achsabstandes durch die Fertigung keine überhöhten axialen Ausgleichsverschiebungen in der Montage nötig sind. Aufgrund der Hohlrad-Außenrad-Paarung war die sonst übliche Beveloidverzahnung mit gängiger Verzahnungssoftware nicht realisierbar. Es wurde eine verwandte konische Verzahnungsart gewählt.
  • 2. Ein weiteres Projekt des Unternehmens zeigt die Vielfalt der Aufgabenstellungen: Mit dem ca. 100-fachen Moment und gehärteten Stahlrädern statt Kunststoff-Spritzguss-Rädern sind die Anforderungen des Unternehmens Loesch Verpackungstechnik GmbH deutlich andere als im zuvor genannten Projekt. Die Gewährleistung einer engen Achsabstandstoleranz ist bei der Fertigung der Verpackungsmaschinen kein Problem mehr. Allerdings liegt die Anforderung der Genauigkeit nun bei wenigen Bogenminuten. Nur so kann eine Kollision der Werkzeuge im laufenden Betrieb verhindert werden. Aufgrund der parallelen Wellen und der 1:1-Übersetzung wurde zunächst ein Synchronriemen in Erwägung gezogen. Dieser kann jedoch aus verschiedenen Gründen die Funktion nicht erfüllen. Das Verdrehen von zwei Zahnradhälften konnte die geforderte Genauigkeit nicht erreichen. Eine Verspannung der Zahnradhälften hätte das Spiel zwar komplett ausgeglichen, jedoch auch den Wirkungsgrad gesenkt und die Belastung der Verzahnung deutlich erhöht. Die Lösung: Schließlich wurde auch für diese Anwendung eine konische Verzahnung mit axialer Anstellung gewählt. Neben der Verzahnungsqualität, dem Werkstoff und dem Wärmebehandlungsverfahren wählte Maul Konstruktionen den Konuswinkel und die Federvorspannung für die Anwendung passend.

Testvorrichtung mit zueinander verdrehten Zahnrädern
Testvorrichtung mit zueinander verdrehten Zahnrädern
(Bild: Lösch)

Von bewährten Konzepten bis zur individuellen Lösung

Die Erfahrung durch die tägliche Konfrontation mit unterschiedlichen Aufgabenstellungen, die Expertise im Bereich Verzahnungs- und Getriebetechnik und die Begeisterung auch für neue Konzepte ermöglichen es dem Team von Maul Konstruktionen für Kunden immer eine passende Lösung zur Spielreduktion zu finden. In einigen Fällen kann man sehr schnell helfen und eine bestehende Lösung auf dem Markt empfehlen, in anderen Fällen werden bewährte Konzepte individuell an die Bedürfnisse des Kunden angepasst. Da Kunden oft an das Konstruktionsbüro herantreten, wenn beides zuvor nicht geholfen hat, sind es die Ingenieure und Konstrukteure auch gewohnt, komplett neue Lösungen in Kooperation mit dem Kunden zu erproben und zu validieren. „Wir sind nicht nur Konstruktionsbüro, sondern auch immer wieder gerne Entwicklungspartner“, ist sich das Team von Maul Konstruktionen einig.

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* Christoph Stancel ist Entwickler und Konstrukteur bei der Maul Konstruktionen GmbH

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