Zahnräder Konstruktiv die Leistungsfähigkeit von Kunststoffverzahnungen steigern

Die Leistungsfähigkeit von Verzahnungen aus Kunststoff lässt sich konstruktiv erhöhen. Das zeigen erste Ergebnisse eines Forschungsprojekts. Der Optimierungsansatz liegt in der Kompensation der eingeschränkten thermischen Belastbarkeit thermoplastischer Kunststoffe, wie eine Low-Loss-Verzahnung aus Polyamid ergab.

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Thermoplastische Kunststoffe sind in Getrieben seit den 1960er Jahren im Einsatz. Der große Vorteil von Verzahnungen aus Kunststoff liegt in der wirtschaftlicheren Fertigung, der niedrigeren Masse und Trägheit im Vergleich zu Metallkomponenten sowie in der Möglichkeit der Anwendung bei Trockenlauf. Nachteilig sind demgegenüber die im Vergleich zu Metallverzahnungen geringere Tragfähigkeit, der Wegfall eines sicheren Dauerfestigkeitsbereichs sowie eine niedrigere thermische Belastbarkeit.

Entwicklung einer Verzahnung mit geringerer Verlustleistung

Die prinzipiell bei Zahnrädern auftretende Verlustleistung führt zu einer Werkstofferhitzung. Aufgrund der niedrigen Wärmeleitfähigkeit und der damit steigenden Gefahr des thermischen Versagens (Aufschmelzen) fällt eine Standardverzahnung aus Kunststoff für viele Anwendungen aus. Zwischen Verlustleistung und Erwärmung besteht bei Zahnradgetrieben ein unmittelbarer Zusammenhang. Um die Problematik der thermischen Belastbarkeit von Kunststoffen zu umgehen, ist es das Ziel des Forschungsprojekts „Low-Loss-Zahnräder“, neue Verzahnungsgeometrien mit verringerter Verlustleistung zu entwickeln.

In Leistungsgetrieben findet heutzutage nahezu ausschließlich die Paarung Kunststoff–Stahl Anwendung. Bei diesen Getrieben würde die Paarung Kunststoff–Kunststoff leicht überhitzen, weil in diesem Fall keines der beiden Kunststoffzahnräder adäquate Wärmeleiteigenschaften hat. Im Regelfall wird das höher belastete, kleinere Ritzel aus Stahl und das größere Rad aus Kunststoff gefertigt. Um ein Gleiten und damit den Leistungsverlust zu verringern, müssen alternative Verzahnungen gefunden werden.

Im Vergleich zu einer herkömmlichen Verzahnung zeigt sich in der Theorie, dass für eine verlustoptimierte Verzahnung drei konstruktive Faktoren kennzeichnend sind (Bild 1 und 2): ein deutlich größerer Eingriffswinkel, eine verkürzte Verzahnung und eine Schrägverzahnung.

Leerlaufverlust bei „normalen“ Umfangsgeschwindigkeiten gering

Der an Stirnrädern auftretende Leistungsverlust wird in einen lastabhängigen und einen lastunabhängigen Anteil unterteilt. Ein lastunabhängiger Verlust tritt immer dann auf, wenn eine Zahnradstufe frei dreht und folglich keine Leistung am getriebenen Zahnrad abgenommen wird. Dieser Leerlaufanteil hängt im Wesentlichen von der erforderlichen Luft- und Schmierstoffzirkulation an den Verzahnungen ab. Er wird von der Verzahnungsgeometrie nur wenig beeinflusst.

Gemessen am Gesamtverlust einer Verzahnung, ist der Leerlaufverlust bei „normalen“ Umfangsgeschwindigkeiten gering. Weil die Werkstoffpaarung Kunststoff–Stahl bei Zahnradgetrieben in der Regel nicht für schnell laufende Anwendungen eingesetzt wird, kommt bei dieser Paarung dem lastabhängigen Leistungsverlust – kurz: Lastverlust – die maßgebliche Bedeutung zu.

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