Zahnräder Zahn um Zahn

Beim PKW-Antriebsstrang steigen Leistungen, Drehmomente und Komfortansprüche. Zudem tendiert die Zahl der Gänge nach oben. Da Größe und Gewicht des Getriebes nicht zunehmen sollen, steigt die Belastung der Zahnräder. Dies hat Auswirkungen auf den Herstellprozess, wo zur Optimierung des Tragbildes unter Last engere Bearbeitungstoleranzen sowie zusätzliche Freiheitsgrade bei der Gestaltung der Zahnflankentopographie gefordert werden.

Anbieter zum Thema

SPN Schwaben Präzision Fritz Hopf GmbH

GWJ Technology GmbH

KISSsoft AG

Gleason-Hurth Maschinen und Werkzeuge GmbH

Thomas M.W. Scholz, Leiter Vertrieb und Marketing bei Gleason Hurth Maschinen und Werkzeuge GmbH in München weiß: „Die Leistungsdichte von Pkw-Motoren hat in den letzten Jahren geradezu rasant zugelegt.“

Für die Getriebe bedeutet dies eine drastische Erhöhung der Beanspruchung. Verschärfend kommt noch hinzu, dass immer mehr Gänge gefordert werden. Da Dimensionen und Gewicht des Getriebes dennoch nicht zunehmen dürfen, müssen die Zahnräder trotz höherer Beanspruchung sogar kleiner ausgelegt werden. Und last but not least sehen sich die Hersteller auch noch mit gestiegenen Anforderungen an den Fahrkomfort und damit auch an die Laufruhe ihrer Getriebe konfrontiert.

Werkstoffe an der Leistungsgrenze

„Für den Konstrukteur bedeutet dies, dass er mit immer höheren spezifischen Belastungen der Zahnflanken zurechtkommen muss“, sagt Dr.-Ing. Antoine Türich, Leiter Technologie-entwicklung bei Gleason Hurth. Um sich zu vergegenwärtigen, welch enorme Kräfte dabei wirken, muss man wissen, dass aufgrund der Wirkungsweise von Zahnradübertragungen im Schnitt immer nur wenige Zähne in Kontakt stehen. Dabei berühren sich die Zahnflanken beim Abwälzen jeweils nur mit einem vergleichsweise sehr kleinen Oberflächenbereich, dem sogenannten Tragbild.

Auf diesen kleinen Berührungsflächen lastet die gesamte Kraft des Motors. Angesichts wachsender Anforderungen bei gleichen oder sogar kleineren Dimensionen würde der Konstrukteur deshalb normalerweise versuchen, für die Zahnräder des neuen Getriebes höherwertige und damit stärker belastbare Werkstoffe zu verwenden. Dies ist ihm in der Regel jedoch aus Kostengründen verwehrt.

Bearbeitungsgenauigkeit gewinnt an Bedeutung

„Als Alternative bieten sich konstruktive Maßnahmen zur Eingrenzung kritischer Lastfälle an“, verrät T. Scholz. Entscheidend sind in diesem Zusammenhang vor allem zwei Punkte: Die Verringerung örtlicher Überlastungen als Folge von Abweichungen der Zahnflankengeometrie von den Sollvorgaben des Konstrukteurs sowie die Vermeidung von „Kantenträgern“. Die Einengung der Bearbeitungstoleranzen wird daher zum wesentlichen Faktor, was unmittelbare Auswirkungen auf die Prozesskette der Zahnradherstellung hat. Vor allem bei höher belasteten Getriebekomponenten entscheiden sich die Hersteller daher immer häufiger dafür, die Feinbearbeitung erst nach dem Härten vorzunehmen. Hierfür eignet sich das hoch produktive Wälzschleifverfahren.

Zusätzliche Freiheitsgrade

„Die hohe Genauigkeit der Hartfeinbearbeitung ermöglicht es dem Konstrukteur, lastbedingte Verformungen des Materials durch Korrekturen der Zahnflankengeometrie sehr präzise zu kompensieren“, erläutert A. Türich.

In einem ersten Schritt geht es dabei um die Abweichung der Zahnflankengeometrie von der idealen Evolvente aufgrund der Druckbelastung des Materials (Hertz’sche Pressung). Das genaue Profil dieser sogenannten Balligkeit wird vom Getriebehersteller aufgrund von Auslegungsberechnungen vorgegeben und durch entsprechende Formgebung des Abrichtwerkzeugs für den Schleifkörper ausgebildet.

Als weitere Maßnahme wird die Position der Tragbilder auf der Zahnflanke durch eine ballige Ausführung der sogenannten Flankenlinie aus dem kritischen Bereich der Zahnkanten herausgehalten. Dies erfolgt durch geeignete Ansteuerung der Bearbeitungsachsen.

Die geometriebedingte „Verschränkung“ der Zahnflanken ist heute gezielt beherrschbar

„Das Zusammenspiel moderner, CNC-gesteuerter Bearbeitungsmaschinen und computergestützter Messsysteme ermöglicht es heute, aufwendige Zahnradgeometrien auch bei Massenprodukten sicher beherrscht zu fertigen“, ergänzt T. Scholz. Der sogenannten Zahnflankenverschränkung, einer überlagerten „Torsionsverzerrung“ der Zahnflanken-geometrie vom linken zum rechten Zahnrand, habe man dagegen bisher weniger Beachtung geschenkt.

Ursache dieser Verschränkung ist das Zusammenspiel von Schrägungswinkel und Flankenlinienballigkeit. Bei Stirnrad-Schrägverzahnungen bedingt die Bearbeitungskinematik eine Schrägstellung der sogenannten Bearbeitungsspur beim Durchgang des Schleifkörpers entlang der Flankenlinie. „Um diese Zahnflankenverschränkung zu verhindern oder sogar gezielt zu beeinflussen, müsste das Schleifwerkzeug theoretisch einen in axialer Richtung variierenden Eingriffswinkel aufweisen“, bilanziert A. Türich.

Dadurch ergibt sich jedoch ein Problem: Ein solches Abrichten des Schleifkörpers, das wegen der hohen Genauigkeitsanforderungen an heutige Getriebezahnräder in relativ kurzen Intervallen erfolgen muss, ließe sich mit dem üblichen Werkzeug, einer profilierten Abrichtrolle, nicht so ohne weiteres durchführen. Zwar gibt es am Markt Lösungen, die versuchen, ausgehend vom Grundprofil der Abrichtrolle geeignete Geometrievariationen durch komplexe mehrachsige Anstellung zu erzielen, doch sind dem aufgrund der extrem engen Toleranzanforderungen an das Werkstück deutliche Grenzen gesetzt.

Die Lösung: das patentierte Anti-Twist-Verfahren

Eine ebenso elegante wie praktikable Möglichkeit der gezielten Beherrschung der Zahnflankenverschränkung eröffnet dagegen das von Gleason patentierte Anti-Twist-Verfahren. Dieses nutzt die Auswirkung einer nicht exakt zylindrischen Schnecke auf den Eingriffswinkel der Zahnflanken und überlagert der normalen Zustellbewegung der Abrichtrolle ein genau definiertes Hohlprofil. Damit lässt sich eine Zahnflankenverschränkung nicht nur vermeiden, es wird darüber hinaus sogar möglich, sie gezielt in positiver oder negativer Richtung vorzugeben. Die Anti-Twist-Option bedingt keinerlei Einschränkung der Produktivität und lässt sich auch bei älteren Wälzschleifanlagen der TWG-Baureihe problemlos nachrüsten. Dem Konstrukteur eröffnet dies einen weiteren Freiheitsgrad bei der Auslegung neuer Getriebe.

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