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Maul Konstruktionen Federnde Lagerung ermöglicht spielfreie Verzahnungen

| Autor/ Redakteur: Hans-Erich Maul / Dipl.-Ing. (FH) Reinhold Schäfer

Die Verzahnung mit Kunststoff-Zahnrädern kann nun spielfrei gestaltet werden. Die Lösung besteht darin, das Getriebe aus zwei Kunststoff-Zahnrädern oder aus einem Metall- und einem Kunststoff-Zahnrad zu fertigen. Dabei wird die Feder durch die Gestaltung der Form eines Kunststoff-Zahnrades erzeugt.

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Bild 1: Beim spielfreien Metallzahnrad-Getriebe ist ein Zahnrad mäanderförmig gestaltet; der Steg ist nur einige Zehntelmillimeter dick. Nachteil gegenüber dem Kunststoffzahnrad sind jedoch hohes Gewicht, hohes Massenträgheitsmoment und unzureichender Trockenlaufschutz.
Bild 1: Beim spielfreien Metallzahnrad-Getriebe ist ein Zahnrad mäanderförmig gestaltet; der Steg ist nur einige Zehntelmillimeter dick. Nachteil gegenüber dem Kunststoffzahnrad sind jedoch hohes Gewicht, hohes Massenträgheitsmoment und unzureichender Trockenlaufschutz.
(Bild: Maul Konstruktionen)

Zahnräder sind Maschinenelemente, die in der Industrie in allen Branchen eingesetzt werden. Dabei haben Verzahnungen mit Kunststoff-Zahnrädern viele Vorteile im Vergleich zu Metallverzahnungen (Bild 1), wie Wirtschaftlichkeit, Trockenlauf und niedrige Masse. Darüber hinaus sind sie in hoher Güte durch Gießen herstellbar.

Geringes Zahnspiel im Getriebe unverzichtbar

Um eine hohe Genauigkeit zu erzielen, ist es der Traum vieler Verzahnungstechniker, spielfreie Verzahnungen herzustellen, doch die Wärmedehnung und die mikrogeometrische Verformung des Systems durch die Belastung macht Zahnspiel, wenn auch nur ein geringes, unverzichtbar. Denn ohne Zahnspiel wird das Getriebe infolge Überhitzung und großen Drucks durch die Dehnungen zerstört.

Bildergalerie

Die Herstellung von spielarmen Getrieben ist teuer. Deshalb geben viele Getriebehersteller als Kenngröße für die hohe Qualität ihrer Getriebe den Verdrehungswinkel aufgrund des Zahnspieles an. Zahnräder aus Kunststoff haben eine größere Wärmedehnung und infolge des geringeren Elastizitätsmoduls eine größere Verformung als solche aus Metall. Deshalb ist bisher besonders bei Kunststoffverzahnungen ein großes Zahnspiel erforderlich.

Federnder Ausgleich von Zahnrad-Dehnungen ermöglicht spielfreie Verzahnungen

Es wird nun ein anderer Weg aufgezeigt, der es ermöglicht, alle herkömmlichen Maschinenelemente mit Verzahnungen spielfrei zu gestalten. Das Grundprinzip ist dabei, die Dehnungen federnd auszugleichen und die zerstörerischen Wirkungen zu verhindern.

Das Getriebe muss die geforderten Kräfte und Momente übertragen. Dies macht es erforderlich, dass die Federvorspannung größer ist als die Beanspruchung durch die äußere Belastung.

Die Lösung besteht darin, das Getriebe aus zwei Kunststoff-Zahnrädern oder aus einem Metall- und einem Kunststoff-Zahnrad zu fertigen. Dabei wird die Feder durch die Gestaltung der Form eines Kunststoff-Zahnrades erzeugt. Es werden zwei oder mehrere Nuten mäanderförmig unterhalb der Verzahnung in das Zahnrad (Bild 2 – siehe Bildergalerie) eingebracht.

Verzahnung stellt für Radialkraft einen federnden, biegeweichen Balken dar

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% der Zahnkraft (Norm-Evolventenverzahnung) 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. Dieses Rohr trägt 94% der Belastung.

Kegelrad lässt sich besonders einfach auf Welle verschiebbar machen

Stirnräder, Schraubenräder, Kegelräder, Schneckenräder und Zahnstangen können sinngemäß mit der gleichen federnden Geometrie gestaltet werden. Bei Kegelrädern ist es besonders einfach, ein Kegelrad auf der Welle federnd verschiebbar zu machen, um so die Vorspannung zu erzielen.

Damit eine stabile Verzahnung erreicht wird, sollten die Kunststoffzähne mit einer positiven Profilverschiebung etwa zwischen x = 0,5 und 1 ausgeführt werden. Wird gleichzeitig ein großer Schrägungswinkel β vorgesehen und eine große Zahnbreite im Bereich von 8 bis 10 x Modul, so erhält man mehrere tragende Zähne und kann relativ große Momente übertragen. Beim wesentlich stabileren Metallrad kann entweder Nullverzahnung oder negative Profilverschiebung ausgeführt werden, sodass V-Nullgetriebe möglich sind.

Spielfreies Kegelradgetriebe läuft sehr geräuscharm

Das Kegelradgetriebe (Bild 3) ist der Antrieb eines Kurbeltriebs. Oszillierende Rückstellmomente machen es erforderlich, das Kegelradgetriebe spielfrei zu gestalten. Der Kurbeltrieb treibt das Stirnradpaar (Bild 4) mit 1500 min-1 hin- und herschwingend an. Der Schwingwinkel ist 120°. Das Alurad wird mit einem Schwingwinkel von 240° beaufschlagt. Es treibt einen Mechanismus mit einer relativ großen angehängten Masse an.

Das Getriebe läuft sehr geräuscharm, denn kein Spiel heißt: kein Umkehrschlag, und das heißt: kein Geräusch.

Weitere Anwendungen sind zum Beispiel: Getriebe, die oszillierende Elemente antreiben; Getriebe mit genauer Übertragung des Drehwinkels ohne das geringste Spiel (Messverzahnungen); Getriebe, die Drehschwingungen übertragen; Lenkgetriebe. Die entstehende Wärmedehnung wird durch die Federung ausgeglichen. In vielen Fällen sind Verzahnungen mit geringeren Qualitäten verwendbar. Das heißt, es reicht, Verzahnungen im Gießverfahren herzustellen, anstatt sie spanend herzustellen.

Spielfreie Kunststoff-Zahnräder auch im Trockenlauf einsetzbar

Diese spielfreien Verzahnungen wurden vom Autor selbst entwickelt. Die gezeigten Zahnräder werden im Textilmaschinenbau eingesetzt mit hoher Lebensdauer, mit einer Einmal-Fettschmierung bei der Montage und einer Einschaltdauer von ED gleich 40%.

Als Werkstoff des Kunststoff-Zahnrades kann drucklos zu gießendes PA 12G verwendet werden. Auch Trockenlauf ist problemlos möglich. Der Kunststoff hat gute mechanische Werte und eine sehr geringe Wasseraufnahme sowie einen sehr kleinen Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten. Besonders vorteilhaft ist es, Metallnaben direkt einzugießen.

Damit sind Getriebe ohne Verdrehwinkelspiel herzustellen. Der Einsatzbereich ist jedoch auf mittlere Belastungen, Aussetzbetrieb mit einer ED von etwa 50% und einem niedrigen Temperaturbereich beschränkt.

Anwendungen im allgemeinen Maschinenbau, Getriebebau, der Antriebstechnik, dem Lebensmittel-, Medizin-, Druck-, Papier-, Textilmaschinenbau sind möglich. Aber auch in der Uhren- und Spielwarenindustrie können solche spielfreien Verzahnungen große Vorteile bringen.

* Hans-Erich Maul ist technischer Leiter bei Maul Konstruktionen in 52068 Aachen, Tel. (02 41) 55 73 05, Fax (02 41) 4 63 23 67, info@maul-konstruktionen.de

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