Wie das Spritzgießen den Verschleiß bei Zahnrädern reduziert

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Zur Verstärkung des Zahnfußbereichs wurde als Kernwerkstoff ein faserverstärktes POM (Hostaform C9021 GV 1/30) gewählt. Ein mit PTFE-Partikeln inkorporiertes POM (Hostaform C9021 TF) sorgt für verbesserte Reibungs- und Verschleißeigenschaften der etwa 200 μm dünnen Randschicht (Bild 2).

Leistungsvergleich zeigt Nutzen des Zweikomponenten-Zahnrads

Der zusätzliche Nutzen eines solchen funktionsangepassten Zweikomponenten-Zahnrads wurde in einem Leistungsvergleich ermittelt. Vergleichspartner war ein herkömmliches Einkomponenten-Zahnrad aus POM (Hostaform C9021, Ticona GmbH). In Anlehnung an die Hauptversagenskriterien für trocken laufende Kunststoffgetriebe wurden Auslegungskennwerte als Bewertungskriterien festgelegt: die Zahnflankentemperatur (oder der dynamische Reibungskoeffizient), die Zahnkopfverformung, die Zahnfußfestigkeit sowie der Zahnverschleiß.

Die Ergebnisse zeigen, dass aufgrund des faserverstärkten Kerns das Zweikomponenten-Zahnrad höhere Lasten übertragen kann. Kurzfristig zeigt sich das an der höheren Verformungsgrenze und langfristig an der Anzahl der Lastzyklen bis zum Zahnradausfall. Vor allem bei höheren Umgebungstemperaturen wirkt sich die Faserverstärkung aufgrund der zusätzlichen Formstabilität positiv aus.

Insbesondere bei niedrigen Lasten ist der Zahnverschleiß leistungsbegrenzend. Bei niedrigen Lasten kann ein funktionsoptimiertes Zweikomponenten-Zahnrad deutlich längere Laufzeiten erreichen als das Vergleichsteil aus einer Kunststoffkomponente.

Spritzgegossene Zweikomponenten-Zahnräder erschließen neues Leistungsspektrum

Beim Zweikomponenten-Zahnrad entsteht aufgrund der inkorporierten PTFE-Partikel ein verschleißreduzierender Gleitfilm zwischen der tribologisch modifizierten Randschicht und dem Gleitpartner. Das Zweikomponenten-Zahnrad hat daher eine um 50% höhere Verschleißfestigkeit im Vergleich zur unmodifizierten Einkomponenten-Variante.

Die tribologische Modifikation wirkt ebenfalls reibungsreduzierend, weshalb ein geringerer zusätzlicher Wärmeeintrag in die Zahnflanke erfolgt. Die verbesserte Formstabilität des faserverstärkten Kerns sowie die niedrigere Reibungserwärmung aufgrund des kleineren Reibkoeffizienten der Randschicht führen dazu, dass das Zweikomponenten-Zahnrad Umgebungstemperaturen ausgesetzt werden kann, bei denen die Einkomponentenvariante bereits thermisch versagt. Das Leistungsspektrum von Kunststoffzahnrädern kann folglich mit einer funktionsangepassten Zweikomponentenlösung deutlich erweitert werden.

Hochdynamische Temperierung erhöht Belastbarkeit der Zahnflanken

Der zweite Ansatz ist die Ausbildung günstiger struktureller Kunststoffeigenschaften in der belasteten Zahnflanke. Voraussetzung dafür ist eine hochdynamische Temperierung der Kavität. Das geschieht mit Hilfe konturnah ausgeführter Temperierkanäle. Sie können im Lasercusing-Verfahren hergestellt werden.

Dieses Verfahren der Hofmann Innovation Group, Lichtenfels, ermöglicht, Werkzeugeinsätze schichtweise aufzubauen. Dadurch können die Kühlkanäle der Kavität den Erfordernissen angepasst werden. In den Werkzeugeinsätzen der Abmessung 85 mm × 85 mm × 30 mm winden sich folglich die Kühlkanäle um die Zahnradgeometrie und ermöglichen so eine effektive Wirkung des Temperiermediums auf die Kavitätsoberfläche (Bild 4).

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