Zahnräder

Kunststoffzahnräder für spielfreie Getriebe einsetzen

Der Traum vieler Verzahnungstechniker: "Spielfreie Verzahnungen" bei möglichst allen Maschinenelementen mit Zähnen.

| Redakteur: Stefanie Michel

Kegelradpaar aus einem Kunststoffzahnrad PA 12G mit eingegossener Stahlnabe. Das Gegenrad: ein Stahlrad, das auf einer verschiebbaren Welle federnd geklemmt wird. (Bild: Maul Konstruktionen)
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Kegelradpaar aus einem Kunststoffzahnrad PA 12G mit eingegossener Stahlnabe. Das Gegenrad: ein Stahlrad, das auf einer verschiebbaren Welle federnd geklemmt wird. (Bild: Maul Konstruktionen)

Der Traum vieler Verzahnungstechniker: "Spielfreie Verzahnungen" bei möglichst allen Maschinenelementen mit Zähnen. Mit Einsatz von Kunststoffzahnrädern ist es möglich.

Zahnräder sind Maschinenelemente die in der Industrie in allen Branchen eingesetzt werden. Im Gegensatz zu reinen Metallverzahnungen weisen Verzahnungen mit Kunststoffzahnrädern viele Vorteile auf: sie sind wirtschaftlicher, ermöglichen Trockenlauf, besitzen eine niedrigere Masse und sind durch Gießen in hoher Güte herzustellen.

Die Wärmedehnung und die mikrogeometrische Verformung des Systems durch die Belastung macht Zahnspiel - wenn auch nur ein geringes - unverzichtbar. Ohne Zahnspiel wird das Getriebe infolge von Überhitzung und großem Druck durch die Dehnungen zerstört.

"Spielarme Getriebe" sind bisher nur mit teurer Herstellung möglich. Deshalb geben viele Getriebehersteller als Kenngröße für die hohe Qualität Ihrer Getriebe den Verdrehungswinkel infolge des Zahnspieles an.

Besonders Zahnräder aus Kunststoff haben eine größere Wärmedehnung und infolge des geringeren Elastizitätsmoduls eine größere Verformung. Deshalb ist bisher hauptsächlich bei Kunststoffverzahnungen ein großes Zahnspiel erforderlich.

Spielfrei für alle Maschinenelemente: Dehnungen federnd ausgleichen

Allerdings gibt es einen Weg, der es ermöglicht alle herkömmlichen Maschinenelemente mit Verzahnungen spielfrei zu gestalten. Grundprinzip ist dabei die Dehnungen federnd auszugleichen und die zerstörerischen Wirkungen zu verhindern. Das Getriebe muss die geforderten Kräfte und Momente übertragen. Dieses macht es erforderlich, dass die Federvorspannung größer ist als die Beanspruchung durch die äußere Belastung.

Die Lösung besteht darin, dass Getriebe aus zwei Kunststoffzahnrädern oder aus einem Metall- und einem Kunststoffzahnrad zu fertigen. Dabei wird die Feder durch die Gestaltung der Form eines Kunststoffzahnrades erzeugt. Es werden zwei oder mehrere Nuten mä-anderförmig unterhalb der Verzahnung in das Zahnrad (Bild 2) eingebracht.

Die Zahnkraft kann durch Kräftezerlegung in Radialkraft und tangential wirkende Umfangskraft zerlegt werden. Die Verzahnung stellt für die Radialkraft einen federnden biegeweichen Balken dar. Dieser Balken wird mit nur 34 Prozent der Zahnkraft (Norm-Evolventen-Verzahnung) belastet. Er kann damit relativ weich gestaltet werden und Dehnungen ausgleichen.

Für die tangentiale Umfangskraft ist jedoch der Ringquerschnitt der Feder maßgebend. Dieser stellt ein auf Torsion beanspruchtes Rohr mit verhältnismäßig großer Belastbarkeit dar, das 94 Prozent der Belastung trägt .

Stabile Verzahnung durch positive Profilverschiebung

Stirnräder, Schraubenräder, Kegelräder, Schneckenräder und Zahnstangen können sinngemäß mit der gleichen federnden Geometrie gestaltet werden. Es ist aber besonders einfach, ein Kegelrad auf der Welle federnd verschiebbar zu machen und somit die Vorspannung zu erzielen.

Teil 2: Spielfreie Verzahnungen in der Praxis: kein Spiel, kein Umkehrschlag

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