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Globoid-Schnecken Potentiale von Globoid-Schnecken entdecken

| Autor / Redakteur: Prof. Dr.-Ing. Bernd Schwarze / Karl-Ullrich Höltkemeier

Schneckengetriebe gibt es schon seit Zeiten von Leonardo Da Vinci. Im Regelfall haben sie einen Achskreuzungswinkel von 90°. Sie unterscheiden sich im Wesentlichen durch die äußere Form der Zahnräder, die entweder zylindrisch oder globoidisch sein können. Dadurch ergeben sich vier Varianten.

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Bronze-Schneckenrad eines Zylinderschneckengetriebes (C) auf einer Universal-Fräsmaschine.
Bronze-Schneckenrad eines Zylinderschneckengetriebes (C) auf einer Universal-Fräsmaschine.
(Bild: DEPO)

Im einfachsten Fall (Variante A) werden zwei zylindrische Zahnräder miteinander gepaart, was streng genommen kein Schneckengetriebe sondern ein sogenanntes Schraubradgetriebe darstellt. Die Schnecke ist dabei ein evolventisches Stirnrad mit einem extrem großen Schrägungswinkel (hier 80°, was einem Steigungswinkel von 10° entspricht). I

n dieser Konstellation ist nur eine Punktberührung (Bild 2) zwischen den Zahnflanken vorhanden, was nur eine geringe Leistungsdichte ermöglicht. Die blau eingefärbten Bereiche kennzeichnen einen Abstand von weniger als 5 µm zwischen den Flanken, die grünen Flächen 10µm. Es sind hier meist 2-3 Zähne im Eingriff. Trotzdem erfreut sich diese Variante insbesondere bei kleinen Stellgetrieben in der Werkstoffpaarung Stahl/Kunststoff großer Beliebtheit. Die Paarung ist unempfindlich gegenüber axialen Verlagerungen von Schnecke und Rad sowie kleinen Achsabstandsabweichungen.

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Außerdem stellt sich durch den Verschleiß am Kunststoff-Schneckenrad nach einem Einlaufvorgang eine Linienberührung ein, die die Tragfähigkeit leicht verbessert und zu Eingriffsverhältnissen wie bei Variante B führt. Die üblichen Herstellungsverfahren sind Wälzfräsen und Schleifen für metallische Werkstoffe. Wenn das große Schraubrad aus Kunststoff gefertigt werden soll, kann auch Spritzguss zum Einsatz kommen. Die Tragfähigkeitsberechnung ist in der Arbeit von Wassermann [5] ausführlich beschrieben und findet sich in der VDI-Richtlinie 2736 [6] wieder.

Variante B

Bei Variante B wälzt eine zylindrische Schnecke auf einem globoidischen Schneckenrad. Dieses so genannte Zylinderschneckengetriebe ist im Bereich der Industriegetriebe der Standardfall. Durch den Radkörper, der sich an die Schnecke anschmiegt, ergibt sich eine Berührlinie (Bild 3), die in Breitenrichtung des Rades verläuft, wobei sich in der Regel 2-3 Zähne im Eingriff befinden.

Die übliche Werkstoffkombination ist eine geschliffene Stahl-Schnecke und ein gefrästes Rad aus Bronze. Dies gewährleistet auch im Bereich der Mischreibung einen zuverlässigen Betrieb ohne ein Fressen der Zahnflanken. Zum Fräsen des Rades wird ein Fräser benötigt, der abgesehen von den Spannuten die Geometrie der Schnecke aufweist.

Bei sehr großen Radsätzen und geringen Stückzahlen, tragen die Kosten des Fräsers wesentlich zu den Herstellungskosten bei. Deshalb wird in jüngster Zeit auch auf die Fertigung mit einer 5-Achs-Universalfräsmaschine zurückgegriffen (Bild 6). Dazu ist allerdings ein hochgenaues CAD-Modell der Zahnflanken für die NC-Fräsprogrammierung erforderlich.

Wichtig bei der Montage des Zylinderschneckengetriebes ist wegen der globoidischen Form die axiale Einstellung des Schneckenrades, um ein günstiges Tragbild zu Beginn des Betriebs sicherzustellen. Nach einer gewissen Einlaufzeit stellt sich durch den Verschleiß an der Radflanke ein Tragen über die gesamte Breite ein. Die Auslegung und Nachrechnung der Tragfähigkeit dieser Variante ist in DIN3996 [7] beschrieben.

Variante C

Stirnradgloboidschneckengetriebe (Variante C) setzen sich aus einem herkömmlichen zylindrischen Stirnrad mit Evolventenprofil und einer globoidischen Schnecke zusammen. Der Vorteil dieser Paarung liegt in der einfachen Herstellung des Rades. Die Schnecke hingegen ist etwas aufwändiger in der Fertigung.

Eine Möglichkeit ist auf einer CNC-Wälzfräsmaschine zu Schälen und eine Feinbearbeitung durch Schaben vorzunehmen. Dafür sind jedoch relativ teure Werkzeuge erforderlich. Bei geringen Stückzahlen kann man besser auf eine 5-Achs-Universalfräse zurückgreifen, für die ein NC-Programm basierend auf der CAD-Geometrie erstellt wird. Auf diese Art und Weise ist sogar eine Hartfeinbearbeitung möglich.

Bild 4 zeigt den Kontakt zwischen den Zahnrädern. Zu Beginn des Eingriffsgebietes auf der rechten Seite liegt eine Berührlinie vor, die vom Zahnkopf zunächst vertikal zum Zahnfuß verläuft, dann jedoch in eine Linie in Breitenrichtung übergeht. Ungefähr ab der Mitte des Eingriffsgebietes hat man nur noch vertikale Berührlinien bis zum Ende auf der linken Seite. Dabei ist es problemlos möglich 5-6 Zähne an der Kraftübertragung zu beteiligen.

Hier liegt der entscheidende Vorteil für die Tragfähigkeit und den Wirkungsgrad. Schon Jarchow [1] hat in seinen Forschungen Anfang der 1960er Jahre die Vorteile aufgezeigt. Schwarz [2] ermittelte Anfang des Jahrtausends in seinen Versuchen mit der Werkstoffpaarung Stahl/Bronze mehr als 30% mehr Tragfähigkeit gegenüber Zylinderschneckengetrieben.

Dabei ist die Grenze für die Tragfähigkeit die Temperatursicherheit. Das beweist gleichzeitig auch einen besseren Wirkungsgrad, denn weniger Verluste bedeuten eine geringere Erwärmung des Getriebes. Bei entsprechender Kühlung oder geringer Einschaltdauer sind noch größere Tragfähigkeitssteigerungen zu erwarten.

Stirnradgloboidschneckengetriebe können aber auch für Kleinst-Antriebe interessant sein, wie man sie in PKW-Türschlössern, -Sitzverstellungen aber auch immer häufiger in der Möbelindustrie und Gebäudetechnik findet. In diesen Fällen werden bislang Schraubradgetriebe in der Werkstoffkombination Stahl/Kunststoff eingesetzt. Durch einfachen Austausch der zylindrischen durch eine globoidische Schnecke sind enorme Leistungssteigerungen denkbar.

Die Getriebe werden in diesen Einsatzgebieten häufig auch zur Selbsthemmung des Antriebsstrangs verwendet, wodurch statisch deutlich höhere Lasten als das Nennmoment auftreten. Gerade hier ist die Aufteilung auf 5-6 Zähne eine deutliche Verbesserung. Hier ist die Forschung in den nächsten Jahren gefragt, die neuen Grenzen dieser Paarung auszuloten. Für die Verwendung in hohen Stückzahlen muss allerdings die Herstellung deutlich günstiger werden, was aber angesichts der Vielzahl neuer Fertigungsverfahren nicht unmöglich erscheint.

Ein weiterer Anwendungsfall liegt vor, wenn eine axiale Verschiebung des Schneckenrades zwingend erforderlich ist. Durch das zylindrische Stirnrad ist das problemlos möglich. Kein anderes Schneckengetriebe mit Linienberührung kann diese Eigenschaft aufweisen.

Variante D

Bei Variante D haben sowohl der Schneckenkörper als auch das zugehörige Rad eine globoide Form. Im einfachsten Fall weisen die Flanken der Schnecke dabei gerade Flanken im Achsschnitt auf. Dadurch kann die Schnecke auf einer Drehmaschine mit rotierendem Drehmeißel bearbeitet werden. Die Fertigung des Rades erfolgt analog zu Variante B, durch Wälzfräsen mit einem Werkzeug ähnlich der Schnecke. Natürlich ist wie bei den anderen Varianten auch eine Fertigung nach CAD-Daten möglich. Das Berührbild (Bild 5) weist auch einen Kontakt auf 5-6 Zähnen auf, was eine hohe Tragfähigkeit ermöglicht. Im Gegensatz zu allen anderen Verzahnungen gibt es am Eingriffsbeginn zwei nebeneinander vertikal verlaufende Berührlinien. Diese Berührlinien wandern im weiteren Verlauf des Eingriffsgebietes aufeinander zu, bis sie zu einer Berührlinie verschmelzen.

Die von Schwarze [2] durchgeführten Versuche deuten auf eine ähnlich hohe Leistungsdichte wie bei den Stirnradgloboidschneckengetrieben (C) hin. Die Wirkungsgrade der Doppelgloboidschneckengetriebe waren bei einer Stichprobe etwas geringer.

So funktionierte es

Sowohl die hier gezeigten Zahnradgeometrien als auch die Ermittlung der Berührbilder wurden mit institutseigenen Software-Lösungen durchgeführt. Dabei ist die Tragbildbestimmung nicht auf Schneckengetriebe beschränkt, sondern für alle denkbaren Verzahnungen durchführbar, solange ein CAD-Modell vorliegt. Durch diese Berechnungen ist eine Optimierung der Zahnflanken bezüglich der Tragbildlage bereits in der Entwurfsphase möglich. Mit Hilfe der so optimal ausgelegten CAD-Geometrien ist anschließend auch eine exakte Herstellung der Zahnflanken mit allen denkbaren Fertigungstechnologien machbar.

Bei allen Varianten spielt die Schmierung eine wesentliche Rolle. Im Gegensatz zu anderen Gleit-Wälz-Kontakten liegt beim Schneckengetriebe meist Mischreibung mit einer hohen Gleitgeschwindigkeit vor, was zu Fressen führen kann. Bei Stahl/Bronze haben sich Öle auf Polyglykolbasis bewährt. Hohe Viskositäten führen dabei zu größeren Schmierspalthöhen und damit zu weniger Verschleiß und Verlusten.

Aber auch Fette sind in der Lage solche Getriebe dauerhaft zu schmieren, wie jüngste Forschungen von Monz [4] gezeigt haben. Bei Fetten ist besonders auf eine dauerhafte Versorgung mit Fett zu achten, insbesondere bei metallischen Zahnpaarungen. Ein Trockenlauf führt hier unweigerlich zum Ausfall des Antriebs. Bei Kunststoffzahnrädern ist meist eine Initialschmierung ausreichend, da oft Aussetzbetrieb vorliegt.

Fazit

Schneckengetriebe mit globoidischen Schnecken ermöglichen deutliche Leistungssteigerungen von 30% und mehr bei gleichem Bauraum. Bei der Werkstoffpaarung Stahl/Bronze ist dies auch durch einen besseren Wirkungsgrad begründet. Für die statischen Belastungen sind sogar 60% höhere Momente erreichbar. Neue Fertigungsverfahren können dazu beitragen, dass diese Getriebeart größere Marktanteile gewinnt. Dabei sind vor allem die Stirnradgloboidgetriebe einfach zu realisieren, weil das konventionelle Stirnrad mit seiner axialen Verschiebbarkeit viele Vorteile bietet.

Bei den Kleinst-Antrieben aus Stahl/Kunststoff (Bild 7) ist diese Bauart noch wenig erforscht, aber sehr erfolgversprechend. Erste Versuche zeigen aber Leistungssteigerungen insbesondere was Zahnbruch und Verschleiß betrifft. Da diese Antriebe in sehr großen Stückzahlen verwendet werden, sind nicht unerhebliche Einsparungen an Ressourcen und Energie zu erwarten.

Literatur

  • [1] F. Jarchow und G. Niemann: Versuche an Stirnrad-Globoid-Schneckentrieben, VDI Zeitschrift Bd. 103 Nr. 6 Seite 209 bis 280; 21. Februar 1961
  • [2] M. Schwarz und P. Tenberge: Mathematisch-geometrische, fertigungstechnische und experimentelle Untersuchungen an Stirnrad-Globoidschneckengetrieben, FVA-Forschungsvorhaben Nr. 233, Abschlussbericht, 2000
  • [3] W. Predki und F. Jarchow: Tragfähigkeitsoptimierte Schneckentriebe, VDI Berichte Nr. 488, 1983
  • [4] A. Monz und B.-R. Höhn: Tragfähigkeit und Wirkungsgrad von Schneckengetrieben bei Schmierung mit konsistenten Getriebefetten, Dissertation Technische Universität München, 2012
  • [5] J. Wassermann und W. Predki: Einflussgrößen auf die Tragfähigkeit von Schraubradgetrieben der Werkstoffpaarung Stahl/Kunststoff, Dissertation Ruhr-Universität Bochum, 2005
  • [6] VDI-Richtline 2736: Thermoplastische Zahnräder, Schraubradgetriebe, Paarung Zylinderschnecke Schrägstirnrad, Entwurf November 2012
  • Tragfähigkeitsberechnung
  • [7] DIN 3996: Tragfähigkeitsberechnung von Zylinder­Schneckengetrieben mit sich rechtwinklig kreuzenden Achsen, August 2005

(sw)

* Prof. Dr.-Ing. Bernd Schwarze (Konstruktion, CAD und Maschinenelemente), Hochschule Osnabrück, University of Applied Sciences,

* Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Informatik, Osnabrück

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