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Drei Mal „Kein“

Spielfreie Verzahnungen mit Kunststoffzahnrädern
Drei Mal „Kein“

Kein Spiel, kein Umkehrschlag, kein Geräusch: Der Traum vieler Verzahnungstechniker ist es, spielfreie Verzahnungen bei möglichst allen Maschinenelementen mit Zähnen zu verwirklichen. Dabei bietet der Einsatz von Kunststoffzahnrädern gegenüber Metallverzahnungen viele Vorteile. Der Beitrag zeigt Lösungen auf, wie alle herkömmlichen Maschinenelemente mit Verzahnungen spielfrei gestaltet werden können und damit besagte Vorteile erzielen.

Kunststoffzahnräder haben gegenüber Metallverzahnungen viele Vorteile: Sie sind wirtschaftlich und leicht, ermöglichen Trockenlauf und lassen sich durch Gießen in hoher Güte herstellen. Die Wärmedehnung und die mikrogeometrische Verformung in einem Getriebesystem verursachen durch die Belastung Zahnspiel, auch wenn dieses nur gering auftritt. Ohne Zahnspiel wird das Getriebe infolge Überhitzung und großem Druck durch die Dehnungen zerstört. Daher ist der Einsatz von spielarmen Getrieben unverzichtbar, auch wenn die Herstellung kostenintensiv ist. Viele Getriebehersteller geben für die hohe Qualität ihrer Getriebe als Kenngröße den Verdrehungswinkel infolge des Zahnspieles an. Besonders Zahnräder aus Kunststoff haben eine größere Wärmedehnung und infolge des geringeren Elastizitätsmoduls eine größere Verformung. Daher erfordern diese ein großes Zahnspiel.

Nachfolgend wird ein anderer Weg aufgezeigt, mit dem sich alle herkömmlichen Maschinenelemente mit Verzahnungen spielfrei gestalten lassen. Grundprinzip ist es dabei, die Dehnung federnd auszugleichen und die zerstörerischen Wirkungen zu verhindern. Das Getriebe muss die geforderten Kräfte und Momente übertragen, daher muss die Federvorspannung größer sein als die Beanspruchung durch die äußere Belastung. Solche Verzahnungen können von der Firma Maul-Konstruktionen in sehr vielen Varianten gestaltet werden.

Gestaltung der Feder

Die Lösung besteht darin, ein Getriebe mit zwei Kunststoffzahnrädern oder mit einem Metall- und einem Kunststoffzahnrad auszurüsten. Dabei wird die Feder durch die Gestaltung der Form eines Kunststoffzahnrades erzeugt. Es werden zwei oder mehrere Nuten mäanderförmig unterhalb der Verzahnung in das Zahnrad eingebracht.
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-Evolventen-Verzahnung) 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.
Stirnräder, Schraubenräder, Kegelräder, Schneckenräder und Zahnstangen können sinngemäß mit der gleichen federnden Geometrie gestaltet werden. Bei Kegelrädern ist es aber besonders einfach, ein Kegelrad auf der Welle federnd verschiebbar zu machen und somit die Vorspannung zu erzielen.
Für die Realisierung einer stabilen Verzahnung sollten die Kunststoffzähne mit einer positiven Profilverschiebung zwischen x = 0,5 und 1 ausgeführt sein. Werden gleichzeitig ein großer Schrägungswinkel b und eine große Zahnbreite im Bereich von 8 bis 10 x Modul vorgesehen, so erhält man mehrere tragende Zähne und kann relativ große Momente übertragen. Beim wesentlich stabileren Metallrad kann entweder Nullverzahnung oder negative Profilverschiebung ausgeführt werden, so dass V-Null-Getriebe möglich sind.

Anwendungen

Das Kegelradgetriebe ist der Antrieb eines Kurbeltriebs. Oszillierende Rückstellmomente zwingen das Kegelradgetriebe spielfrei zu gestalten. Der Kurbeltrieb treibt das Stirnradpaar mit 1500 min-1 hin und her schwingend an. Der Schwingwinkel ist 120°. Das Alurad wird getrieben mit Schwingwinkel 240°. Es treibt einen Mechanismus mit einer relativ großen angehängten Masse. Das Getriebe läuft sehr geräuscharm.
Weitere Anwendungen findet man in Getrieben, die oszillierende Elemente antreiben; in Getrieben mit genauer Übertragung des Drehwinkels ohne das geringste Spiel (Messverzahnungen); in Getrieben, die Drehschwingungen übertragen sowie in Lenkgetrieben. Die Federung gleicht die entstehende Wärmedehnung aus. In vielen Fällen sind Verzahnungen mit geringeren Qualitäten verwendbar. Die gezeigten Zahnräder werden im Textilmaschinenbau eingesetzt. Sie haben eine sehr gute Lebens-dauer und werden bei der Montage mit einer Einmalfettschmierung versehen.
Als Werkstoff des Kunststoffzahnrades ist beispielsweise PA 12G möglich. Dieser ist drucklos zu gießen. Trockenlauf ist problemlos möglich. Der Werkstoff hat gute mechanische Werte und eine sehr geringe Wasseraufnahme sowie einen sehr kleinen Temperaturausdehnungskoeffizienten. Besonders vorteilhaft ist es, Metallnaben direkt einzugießen.
Mit diesem Verfahren lassen sich Getriebe ohne jegliches Verdrehwinkelspiel herstellen. Der Einsatzbereich ist auf mittlere Belastungen, Aussetzbetrieb mit einer ED von etwa 50 % und einem niedrigen Temperaturbereich beschränkt. Anwendungen finden sich im allgemeinen Maschinenbau, im Getriebebau, der Antriebstechnik, der Lebensmittel- und Papierindustrie, der Druck- und Medizintechnik sowie im Textilmaschinenbau. Aber auch in der Uhren- und Spielwarenindustrie können solche spielfreien Verzahnungen genaue Übersetzungen ermöglichen.
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