Optimierte Paarung

Werkstoffe

Kunststoffe – Der Einsatz von Kunststoffen in der Verzahnungstechnik verspricht zahlreiche Vorteile, von der Trockenlauffähigkeit bis zur Laufruhe. Entscheidend für einen zuverlässigen Betrieb der Zahnräder sind jedoch die Verwendung spezieller Hochleistungswerkstoffe und eine optimierte Verzahnungsgeometrie.

28. April 2014

Ein langjähriger Trend in der Verzahnungstechnik ist der zunehmende Einsatz von Zahnrädern aus Kunststoff anstelle von metallischen Werkstoffen. Der Hauptvorteil solcher Lösungen ist ihre Trockenlauffähigkeit, die sie für Anwendungen prädestiniert, die aus funktionellen oder hygienischen Gründen keine externe Schmierung erlauben, etwa in der Medizintechnik oder in der Lebensmittelproduktion. Nachteile von trockenlaufenden Zahnrädern sind jedoch die hohen Reibungszahlen im Zahnkontakt und die verhältnismäßig geringe Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffen, die ihre Einsatztemperaturen begrenzt. Die Übertragung höherer Leistungen mit Kunststoffzahnrädern erfordert deshalb die Entwicklung spezieller Verzahnungsgeometrien mit möglichst niedrigen Reibungsverlusten, um die Erwärmung möglichst gering zu halten.

Forschung gegen Reibung

Der Biberacher Kunststoffspezialist Handtmann Elteka und der Verzahnungs- und Antriebstechnikhersteller SPN Schwaben Präzision aus Nördlingen haben deshalb im Rahmen eines Projekts der Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau (FZG) der Technischen Universität München zahlreiche Verzahnungsgeometrien für Kunststoff-Stahl-Zahnradpaarungen experimentell wie theoretisch getestet. Ziel war es, so genannte Low-loss-Verzahnungen zu finden, bei denen die Reibungsverluste durch eine Verringerung der Gleitanteile des Zahnrades minimiert sind. Erreicht wird dies einerseits durch eine Reduzierung der aktiven Zahnhöhe im Vergleich zu einer konventionellen Verzahnungsgeometrie.

Weitere Maßnahmen sind die Vergrößerung des Eingriffswinkels, um die Tragfähigkeit zu erhöhen, sowie eine Konzentration des Zahneingriffs um den Wälzpunkt, was die Reibungsverluste minimiert. Zur Auslegung solcher Low-loss-Zahnräder können dann allerdings gängige Normen und Richtlinien, wie die DIN 3990, ISO 6336 oder VDI 2736 nicht angewandt werden. Ziel des Forschungsprojektes war deshalb auch die Schaffung von Berechnungsmöglichkeiten für die Auslegung von Low-loss-Kunststoffverzahnungen.

Gegossene Präzision

Der für die Kunststoff-Zahnräder verwendete Werkstoff war das gegossene Polyamid Lauramid PA 12C von Handtmann Elteka, dessen Herstellungsprozess es unter anderem erlaubt, zum Beispiel eine gerändelte Stahlnabe mit einzugießen, um eine ausreichende Tragfähigkeit der Drehmomenteinleitung sicherzustellen. Die Zähne wurden von SPN Schwaben Präzision gefertigt.

Verglichen wurden jeweils drei Zahnrad-Hauptgeometrien: Eine Verzahnung konventioneller Auslegung, die an eine bei Stahlzahnrädern weit verbreitete Testverzahnung angelehnt ist, sowie zwei mit LL30 bzw. LL40 bezeichnete Low-loss-Varianten. An den Prüfständen gemessen wurden sowohl die Verzahnungsverluste als auch die Zahntemperaturen. Die Verluste durch eine Erwärmung der Zahnräder im Trockenlauf sind dabei maßgeblich lastabhängig und entstehen vor allem durch die Reibungsverluste im Zahnkontakt. Die Versuche zeigen hier, dass die Dämpfungsverluste aus der Zahnverformung bei dem verwendeten Kunststoff Lauramid lediglich einen untergeordneten Einfluss haben. Mit zunehmender Temperatur nehmen die Verzahnungsverluste jedoch aufgrund des zunehmenden vor- und nachzeitigen Zahneingriffs zu.

Die Messungen der Zahntemperatur belegen zudem, dass die verlustoptimierten Zahnräder sich im Betrieb deutlich weniger erwärmen als die konventionelle Variante. Dabei zeigte sich, dass die Low-loss-Geometrie im Vergleich zur konventionellen Verzahnung einen deutlich erweiterten Betriebsbereich zulässt: Es konnte bis zu 75 Prozent mehr Leistung übertragen werden.

Ein Vorteil der Kunststoff-Zahnräder gegenüber Stahlzahnrädern ist auch die generell bessere Dämpfung und damit die deutlich geringere Geräuschentwicklung in der Anwendung. Bei den untersuchten verlustoptimierten Verzahnungsgeometrien kompensiert das niedrige Elastizitätsmodul von Lauramid die geometriebedingt höhere Verzahnungssteifigkeit hinsichtlich des dynamischen Betriebsverhaltens. Beim Einsatz von Kunststoff als Zahnradwerkstoff sinkt zudem die Verzahnungs-Eigenfrequenz im Vergleich zu einer Stahl-Stahl-Zahnradpaarung deutlich ab. Bei verlustoptimierten Kunststoffzahnrädern mit hoher Zähnezahl muss deshalb die niedrige Resonanzdrehzahl bei der Auslegung beachtet werden. Zudem müssen auch die spezifischen Materialeigenschaften konstruktiv berücksichtigt werden: So besitzen Kunststoffe generell gegenüber Stahl größere Wärmeausdehnungskoeffizienten und nehmen zudem Feuchtigkeit auf. Bei Lauramid liegt die Wärmeausdehnung bei Temperatur von 30 bis 80 Grad Celsius lediglich zwischen 100 und 180 x 10-6 1/K. Die Wasseraufnahme von Lauramid ist die geringste aller Polyamide und beträgt an Luft 0,9 Prozent.

Auf einen Blick

- Die Albert Handtmann Elteka GmbH & Co. KG in Biberach entwickelt die technischen Kunststoffe Lauramid, Lauramid Hybrid und Eltimid sowie die iCross-Wälzlager, die als Bauteile oder Komplettsysteme im Maschinen- und Anlagenbau zum Einsatz kommen.

- Die Handtmann Gruppe beschäftigt weltweit 3.000 Mitarbeiter.

Erschienen in Ausgabe: 03/2014