Suchen

Maul Konstruktionen Dehnbare Zahnräder erlauben exakte Spieleinstellung

| Autor/ Redakteur: Hans-Erich Maul / Stefanie Michel

Gute Zahnräder übertragen Bewegungen besonders genau und drehwinkeltreu, wenn kein Zahnspiel die Präzision stört. Es ist aber schwierig, ein geringes oder fast gar keinen Abstand der Zähne einzuhalten. Mit im Durchmesser dehnbaren Zahnradvarianten ist es nun möglich, das Spiel sehr genau einzustellen.

Firmen zum Thema

(Bild: Maul Konstruktionen)

Der Nachteil bei Zahnradgetrieben mit Spiel liegt in einer ungenauen, nicht drehwinkelgetreuen Übertragung der Drehbewegung. Übertragungsgetriebe sollten kein oder nur ein geringes Spiel haben. Getriebehersteller geben als Kennzeichen der Güte ihrer Produkte den Verdrehungswinkel durch das Zahnspiel an. Bereits ein geringes Spiel verursacht bei oszillierenden, die Drehrichtung wechselnden Bewegungen und wechselnden Drehmomenten sehr starke Geräusche und Schläge in schnell laufenden Getrieben.

Sehr kleines Spiel mit dehnbaren Zahnrädern erreichbar

Oft ist es sehr schwer und teuer, ein kleines Zahnspiel einzuhalten. Es sind viele Variable, die auf das Zahnspiel einwirken: ein genauer Achsabstand und die gesamte Zahngeometrie beider Zahnräder (etwa die Zahndicke), die Abweichung der Lagerung und die Rundlaufabweichung der Zahnräder, Naben und Wellen; die Achskreuzung und die Achsparallelität; die Abweichung von der Evolvente des erzeugenden Profils und die Bewegung der Verzahnungswerkzeuge auf der ablaufenden Bahn bei der Herstellung. Die Teilungsfehler und der Eingriffswinkel wirken sich ebenfalls auf das Zahnspiel aus.

Bildergalerie

Bildergalerie mit 9 Bildern

Die Schwierigkeiten, ein kleines Zahnspiel einzuhalten, rechtfertigen einen Mehraufwand an Bauteilen zur Einstellung von verformbaren Zahnrädern. Mit den hier gezeigten dehnbaren Zahnrädern kann das Spiel sehr klein – fast auf null – eingestellt werden, auch bei herstellungsbedingter geringerer Verzahnungsqualität im Getriebe. Mögliche Verzahnungsfehler (bis auf Abweichungen im Rundlauf), werden so weitgehend ausgeglichen. Verzahnungsexperten wissen, dass die Evolventenverzahnung von der Geometrie der Evolvente her unempfindlich bei verändertem Achsabstand ist. Diese Verzahnung läuft auch bei Abweichungen des Achsabstands gut.

Das hookesche Gesetz ist die Grundlage für die Idee dehnbarer Zahnräder

Jeder Maschinenbauer lernt im Grundlagenkurs über die Werkstoffe das hookesche Gesetz kennen: Metalle haben meist ein ausgeprägtes elastisches Verhalten, wenn sie belastet werden. Das Verhalten wird durch den Elastizitätsmodul ausgedrückt. Wird etwa ein Ring durch Kräfte im elastischen Bereich verformt (gedehnt), kann das durch die Formel: Spannung = Dehnung × Elastizitätsmodul im linearen Bereich der hookeschen Geraden bei Werkstoffen bis näherungsweise zur Streckgrenze ausgedrückt werden. Darüber hinaus können manche der Werkstoffe noch ohne Bruch plastisch verformt werden.

Bei Stählen wird durch den Legierungsbestandteil Silizium die Elastizität des Werkstoffes stark erhöht. Das Element verleiht etwa Federstahl seine elastischen Eigenschaften. Weiterhin kann durch eine Kaltverfestigung und besonders durch eine hohe Vergütung des Werkstoffes der elastische Bereich der hookeschen Gerade nach oben verlängert werden.

Hier einige Beispiele:

  • Baustahl, Werkstoff Nr. 1.0036 (S235JR): Streckgrenze 235 N/mm²; Dehnung 0,11 %, bei 100 mm also auf 100,11 mm.
  • Federstahl, Werkstoff 1.5023 (38Si7): Streckgrenze 1150 N/mm²; Dehnung 0,6 %, bei 100 mm also auf 100,6 mm.
  • Vergütungsstahl, Werkstoff 1.7225 (42CrMo4): Streckgrenze 1000 N/mm2; Dehnung ~0,5 %, bei 100 mm also auf 100,5 mm für hochbelastete Zahnräder.

Einstellbares Zahnspiel auf alle Varianten übertragbar

Die Beispiele zeigen, dass elastische Dehnungen im Größenbereich des üblichen Zahnspieles möglich sind. Das Spiel kann also beeinflusst werden. Eine darüber hinausgehende plastische Verformung ohne Bruch und damit eine breitere Einstellung des Zahnspieles ist bei einigen Werkstoffen auch möglich, wenn etwa eine Rückfederung in den Ursprungszustand nicht erforderlich ist.

Durch die Wahl der Zahnradform – mit mäanderförmigen axialen Nuten oder durch eine Wabenform – kann die elastische Verformung des Zahnrades deutlich erhöht werden. Dabei vermögen tangentiale Stege, als weiche Biegebalken gestaltet, und radiale, zugbelastete Stege auch große Dehnungen auszugleichen. Die gezeigten Ausführungen sind auf alle Verzahnungen übertragbar: egal, ob Gerad-Zahnstirnräder, Schräg-Zahnstirnräder, Schraubenräder, Schneckenräder, Kegelzahnräder oder Zahnstangen. Bei Letzteren wird der runde Konus durch einen geraden Keil ersetzt.

Der Maximaleffekt hängt vom Zahnradmaterial ab

  • Zahnrad 1 (speziell für Geradverzahnungen): Hier wirken zwei Kegelscheiben von beiden Seiten auf zwei Innenkonen. Das Zahnrad wird durch Schrauben, die eine axiale Kraft erzeugen und die eine axiale Verschiebung der Kegelscheiben bewirken, radial gedehnt. Kontermuttern an den Schrauben verhindern das Lösen durch Vibrationen. Mit einem Drehmomentschlüssel muss das System gleichmäßig eingestellt werden. Die radiale Dehnung des Zahnrades wird durch die Formgestaltung mit axialen, mäanderförmigen Nuten optimiert. Zusätzlich sind radiale Nuten zwischen den Zähnen angebracht, die den Umfang unterbrechen und eine größere Durchmesserdehnung erlauben. Die Radialnuten durchtrennen quasi den Ring und so entsteht ein einzelner, verschiebbarer, nur durch diese Ansätze gehaltener Zahn. Stahlräder können so um maximal 2 % des Durchmessers geweitet werden. Die Führungsansätze am Zahn wirken wie Schieber. Sie sind in Nuten in den Kegelscheiben geführt und halten den Zahn auf Position (Bild 3). Das Zahnrad kann so in einem breiten Einstellungsbereich angepasst werden. Zahnrad 2 (für Gerad- und Schrägverzahnungen): Auch hier wird durch Kegelscheiben gedehnt. Der Zähne tragende Ring ist hier geschlossen. Elastische Dehnungen können nur durch Verspannen der Kegelscheiben erreicht werden. Das Drehmoment wird unter Verwendung einer Wabenkontur, von der Nabe auf den Zahnkranz übertragen, die für Drehmomente besonders stark wirkt. Hierzu werden zwei oder mehr Kränze von Langlöchern in Wabenform eingebracht.

Die Wabenform wirkt wie ein weicher Biegebalken für die radiale Dehnung. Viele Stege machen sie für die Drehmomentübertragung besonders stabil. Ein solches Zahnrad ermöglicht es, das volle Drehmoment zu übertragen, welches sonst von vollen Zahnrädern übertragen wird. Bei Stahl ist der Einstellbereich circa 0,5 % des Durchmessers. Bei Kunststoffen kann er wesentlich größer sein. Mit der Konstruktion wird es auch möglich, den Trockenlauf bei Kunststoffzahnrädern fast ohne Zahnspiel zu gestalten – auch für Sonderformen.

* Hans-Erich Maul ist Technischer Leiter bei Maul Konstruktionen in 52068 Aachen

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de (ID: 34059760)