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Verzahnungen

Das Thema Verzahnung (engl. „gearing“) deckt mehrere zentrale Aspekte ab, darunter die Klassifizierung der Verzahnungen, Herstellungstechniken, Konstruktionskriterien, Qualitätsanforderungen, Material und aktuelle Trends in der Technologieentwicklung. Verzahnungen sind von entscheidender Bedeutung für die Kraftübertragung und Bewegungskontrolle in einer Vielzahl von Maschinen und Systemen, vom Automobilbau bis zur Feinmechanik. Verzahnungen sind essenzielle mechanische Elemente für die Kraftübertragung und Bewegungskontrolle. Sie sind in einer Vielzahl von Maschinen und Systemen zu finden und erfüllen dort unterschiedliche Anforderungen. In dieser wissenschaftlichen Abhandlung werden die verschiedenen Verzahnungsarten, deren Einteilung und Anwendungen sowie Fertigungstechniken und Designkriterien detailliert untersucht.

Wolfgang A. Haggenmüller

Veröffentlicht

13. Dezember 2024

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Grundlagen der Verzahnung: Klassifizierung und Typen

Verzahnungen dienen zur Übertragung von Drehmomenten und Drehbewegungen zwischen Wellen. Ihre Geometrie ist entscheidend für die Effizienz, Präzision und Lebensdauer des Getriebes.

Einteilung und Klassifikation der Verzahnungen

Verzahnungen werden im Wesentlichen in folgende Typen eingeteilt:

Zylindrische Verzahnungen: Diese umfassen Stirnräder und Schrägzahnräder.
Kegelverzahnungen: Umfassen Kegelräder, insbesondere gerade und spiralförmige Kegelräder.
Schnecken- und Schraubenverzahnungen: Typisch für Schneckenradgetriebe, bei denen eine Schraube auf ein Zahnrad wirkt.
Hypoidverzahnungen: Ein spezieller Typ der Kegelradverzahnung, bei dem die Achsen versetzt sind.
Planetengetriebe: Häufig für Anwendungen, bei denen hohe Drehmomentübertragungen und kompakte Bauweisen erforderlich sind.

Die Einteilung der Verzahnungsarten erfolgt auch nach Profilform, z. B. Evolventenverzahnungen und Zykloidenverzahnungen. Evolventenprofile sind aufgrund ihrer Fertigungsmöglichkeiten und Tragfähigkeit die gängigsten.

Hauptarten der Verzahnungen

Zylindrische Verzahnungen

Stirnräder: Stirnradverzahnungen bestehen aus parallel zur Achse stehenden Zähnen und kommen häufig in Maschinenbauanwendungen vor. Sie sind einfach zu fertigen und effizient bei mittleren bis hohen Drehzahlen. Eigenschaften: Geradverzahnt, Achsen sind parallel zueinander. Vorteile: Einfach herzustellen, leise im Betrieb bei niedrigen Drehzahlen. Anwendung: Oft in Maschinenbau und Automobilindustrie verwendet.

Schrägzahnräder: Hier sind die Zähne schräg zur Achse angeordnet, was eine gleichmäßigere Kraftübertragung und höhere Laufruhe ermöglichten. Schrägzahnräder werden in Getrieben eingesetzt, wo hohe Geschwindigkeiten und geringe Geräuschentwicklung erforderlich sind. Eigenschaften: Zähne sind schräg zur Achse geneigt. Vorteile: Sorgt für eine gleichmäßigere Lastübertragung und ruhigeren Lauf. Anwendung: Häufig in Getrieben von Fahrzeugen und Maschinen.

Kegelverzahnungen

Eigenschaften: Konische Form, Achsen stehen im Allgemeinen im 90°-Winkel zueinander. Vorteile: Ermöglicht Richtungsänderungen des Drehmoments. Anwendung: Wird oft in Differenzialgetrieben und anderen Anwendungen eingesetzt, wo eine Achsverlagerung notwendig ist.
Geradverzahnte Kegelräder: Diese haben gerade Zähne und sind für Anwendungen geeignet, bei denen die Wellen einen festen Winkel, meist 90°, bilden. Sie bieten eine präzise und einfache Kraftübertragung.
Spiralförmige Kegelräder: Diese bieten eine größere Kontaktfläche zwischen den Zähnen und eignen sich gut für Anwendungen, die höhere Geschwindigkeiten und Drehmomente erfordern.
Hypoidverzahnungen sind eine spezielle Form der Kegelverzahnungen, bei denen die Achsen nicht im selben Punkt schneiden. Durch die versetzte Anordnung entsteht eine größere Überlappung, wodurch eine höhere Drehmomentübertragung möglich wird. Hypoidverzahnungen finden häufig Anwendung in Differentialgetrieben von Fahrzeugachsen.

Schneckenverzahnungen

Schneckengetriebe bestehen aus einer schraubenförmigen Schnecke und einem Schneckenrad, die sich für Anwendungen mit hohen Übersetzungsverhältnissen eignen. Sie sind in Hebevorrichtungen, Fördersystemen und teilweise in Getrieben für Robotik und Feinmechanik zu finden, da sie außerdem eine Selbsthemmung bieten können. Eigenschaften: Ein Schneckengetriebe besteht aus einem Schneckenrad und einer Schnecke, die senkrecht zueinanderstehen. Vorteile: Hohe Übersetzungsverhältnisse und Selbsthemmung möglich. Anwendung: In Hebezeugen, Förderanlagen und Drehmaschinen.

Planetengetriebe (Epizykloidengetriebe)

Planetengetriebe bestehen aus einem Zentralrad, Planetenrädern und einem Hohlrad. Diese Verzahnungen ermöglichen hohe Übersetzungsverhältnisse bei kompakter Bauweise und werden häufig in Automobilgetrieben, Werkzeugmaschinen und Windkraftanlagen eingesetzt. Eigenschaften: Ein zentrales Sonnenrad, um das sich mehrere Planetenräder drehen. Vorteile: Hohe Übersetzungsverhältnisse, kompakte Bauweise und gleichmäßige Kraftverteilung. Anwendung: Oft in Automatikgetrieben, Bohrmaschinen und Robotikanwendungen.

Kronenrad

Bei der Kronenverzahnung (auch Kronrad genannt) befinden sich die Zähne senkrecht zur Radachse und ragen wie eine Krone nach oben oder außen. Anders als bei herkömmlichen Stirnrädern, die eine gerade oder schräge Verzahnung haben, ist die Verzahnung bei Kronenrädern besonders für rechtwinklige Achsanordnungen (90°) ausgelegt. Kronenverzahnungen ermöglichen die Kraftübertragung zwischen zwei Achsen, die normalerweise rechtwinklig zueinanderstehen. Sie bieten einen geringeren Schlupf und können Drehmomente effizient übertragen.

Kronenverzahnungen sind einfach herzustellen und erlauben eine kompakte Bauweise. Sie sind besonders nützlich in Anwendungen, wo eine Änderung der Bewegungsrichtung erforderlich ist. Anwendungsbereiche: Kronenräder kommen oft in alten Uhrwerken, bestimmten Arten von Differenzialgetrieben und kleinen mechanischen Geräten vor. Heute werden sie allerdings eher selten verwendet, da sie durch Kegelräder und andere präzisere Zahnradformen ersetzt wurden. Eigenschaften: Besitzt Zahnradzähne, die sich senkrecht zur Radachse befinden. Vorteile: Ermöglicht eine kompakte Bauweise und ist effizient für 90°-Winkelübertragungen. Anwendung: Weniger gebräuchlich, aber manchmal in speziellen Mechanismen eingesetzt.

Innenverzahnung

Innenverzahnungen (auch Innenzahnräder genannt) sind Zahnräder, bei denen die Verzahnung auf der Innenseite des Rades angebracht ist. Sie greifen häufig in ein externes Stirnrad oder Planetenrad, wobei die Zähne der Innenverzahnung nach innen zeigen. Innenverzahnungen ermöglichen es, dass mehrere Zahnräder auf engem Raum zusammenarbeiten können. Dies führt zu einer kompakteren Bauweise und verringert die Abmessungen des Getriebes, ohne das Übersetzungsverhältnis oder die Belastbarkeit zu verringern.

Durch die Anordnung der Verzahnung innen ist das Zahnradpaar sehr kompakt und stabil, und die Lastübertragung wird gleichmäßig verteilt. Innenverzahnungen reduzieren außerdem das Axialspiel und die Geräuschentwicklung. Sie finden häufig Anwendung in Planetengetrieben, wo sie zusammen mit Sonnen- und Planetenrädern das Getriebe effizient und platzsparend gestalten. Innenverzahnungen kommen auch in verschiedenen Maschinengetrieben, Fahrzeugantrieben und industriellen Anwendungen vor. Eigenschaften: Zahnräder, bei denen die Zähne innen angebracht sind. Vorteile: Kompakte Bauweise, insbesondere in Kombination mit Planetengetrieben. Anwendung: In Planetengetrieben und kompakten Übertragungssystemen.

1.2 Verzahnungsprofile

Verzahnungen können zudem nach dem Profil der Zähne unterschieden werden:

Evolventenverzahnungen: Evolventenprofile haben den Vorteil, dass sich bei Änderungen des Achsabstands die Kontaktlinie und damit die Eingriffssituation der Zähne nicht wesentlich verändert. Dies macht sie besonders für industrielle Anwendungen geeignet.
Zykloidenverzahnungen: Zykloidenprofile bieten eine höhere Festigkeit im Vergleich zur Evolventenverzahnung und werden oft in hochbelasteten Anwendungen, wie z.B. in Präzisions-Planetengetrieben oder in der Feinmechanik, eingesetzt.

Verzahnungsklassen: Definition und Anwendung

Die Qualität von Verzahnungen wird nach den Normen DIN 3960/61 in Qualitätsklassen eingeteilt. Diese Klassifizierung ist entscheidend für die Auswahl und Anwendung der Verzahnung, da sie Einfluss auf die Genauigkeit, die Laufruhe und das Leistungsvermögen des Getriebes hat.

Hochpräzise Verzahnungen (Klasse 3-5)

- Verwendet in Anwendungen, die hohe Genauigkeit und Laufruhe erfordern, z.B. in der Luftfahrt und in Präzisionsmaschinen. Die Zahnflankentoleranzen liegen bei 0,001 bis 0,005 mm.

Standard-Verzahnungen (Klasse 6-8)

Gebräuchlich in der Automobilindustrie, z.B. für Fahrzeuggetriebe. Hier werden Toleranzen von 0,01 bis 0,05 mm erreicht, was für Anwendungen ausreicht, die eine gute Effizienz, aber keine extrem hohe Präzision benötigen.

Einfache Verzahnungen (Klasse 9-12)

- Diese werden oft in landwirtschaftlichen Maschinen oder fördertechnischen Anwendungen eingesetzt. Sie haben Toleranzen von 0,05 bis 0,1 mm und bieten eine robuste und kostengünstige Lösung, die für niedrige bis mittlere Drehzahlen geeignet ist.

Typische Merkmale hochpräziser Verzahnungen sind minimale Toleranzen und eine hohe Laufruhe. Diese werden durch Schleifen und Feinschleifen erreicht. Einfachere Verzahnungen hingegen werden oft gefräst oder durch Gießen hergestellt.

Herstellverfahren für Verzahnungen: Detaillierte Beschreibung der Verfahren

Die Wahl der Fertigungstechnik richtet sich nach der gewünschten Präzision, den Kosten und den mechanischen Anforderungen. Jede Verzahnungsart erfordert spezielle Herstellungstechniken.

Fräsen
Stoßen
Schleifen
Axialfomen
Walzen

Die Herstellung von Verzahnungen umfasst verschiedene Verfahren, die sich in Präzision, Kosten, Produktionsgeschwindigkeit und Eignung für spezifische Anwendungen unterscheiden. Neben dem Axialformen, das für Serienproduktionen eine kostengünstige und effiziente Alternative bietet, existieren weitere etablierte Herstellverfahren. Diese umfassen Wälzfräsen, Wälzstoßen, Wälzschleifen, Räumen, und Schmieden. Jedes dieser Verfahren wird nachfolgend im Detail beschrieben.

Wälzfräsen

Wälzfräsen ist das am häufigsten angewandten Verfahren zur Herstellung von Verzahnungen. Es basiert auf der relativen Bewegung eines rotierenden Fräsers und des Werkstücks, die einander kontinuierlich zuführen, um das gewünschte Zahnprofil zu erzeugen. Geeignet für einfache zylindrische Stirnräder, Schraubenräder und Kegelräder. Das Fräsen ist kostengünstig und ermöglicht eine ausreichende Genauigkeit für Standardanwendungen.

Prozessablauf

Werkzeugauswahl: Ein spezieller Wälzfräser wird ausgewählt, dessen Zahnform dem späteren Profil der Zahnräder entspricht.
Positionierung und Rotation: Das Werkstück und der Fräser werden in einer definierten Position zueinander aufgespannt. Der Fräser und das Werkstück drehen sich synchron, um eine kontinuierliche Schnittbewegung zu erzeugen.
Wälzbewegung: Während des Fräsvorgangs bewegt sich das Werkstück axial entlang des Fräsers, wodurch das Zahnprofil Stück für Stück eingeschnitten wird.
Endbearbeitung: Für präzise Anforderungen kann ein Schleifen oder eine Oberflächenbehandlung folgen.

Vorteile

Flexibilität: Kann für unterschiedliche Zahnradtypen und Profile verwendet werden.
Präzision: Ermöglicht hohe Maßgenauigkeiten und Oberflächenqualitäten.
Kosten: Günstig in der Serienproduktion.

Typische Anwendungen

Das Wälzfräsen ist ideal für Zahnräder in Getrieben und Antriebswellen von Automobilen, Maschinenbaukomponenten und Großanlagen.

Herausforderungen

Werkzeugverschleiß: Wälzfräser nutzen sich bei härteren Materialien schnell ab.
Verzugsgefahr: Bei Werkstücken mit geringer Dicke kann der Fräsvorgang zu Verformungen führen, die berücksichtigt werden müssen.

Wälzstoßen

Das Wälzstoßen ist ein Verfahren, bei dem der Zahnflankenschnitt vertikal, also von oben nach unten (oder umgekehrt), erfolgt. Es ist besonders für innere Verzahnungen und schwer zugängliche Zahnprofile geeignet, da es durch eine oszillierende Werkzeugbewegung arbeitet.

Prozessablauf

Werkzeugauswahl: Ein Stoßwerkzeug wird verwendet, das auf das gewünschte Zahnprofil abgestimmt ist.
Oszillierende Bewegung: Das Werkzeug bewegt sich axial auf und ab, während das Werkstück gedreht wird, um das Zahnprofil Stück für Stück herauszuarbeiten.
Wälzbewegung: Das Werkstück dreht sich synchron mit dem Stoßwerkzeug, um den Kontakt kontinuierlich aufrechtzuerhalten.
Endbearbeitung: Bei Präzisionsanforderungen kann eine zusätzliche Schleifbearbeitung notwendig sein.

Vorteile

Eignung für Innenverzahnungen: Kann komplexe innere Zahnräder und Profile herstellen, die mit anderen Methoden schwer erreichbar sind.
Hohes Maß an Präzision: Besonders für eng tolerierte Profile geeignet.

Typische Anwendungen: Wälzstoßen wird oft für Planetenräder und innere Verzahnungen von Getrieben in der Automobilindustrie verwendet.

Herausforderungen

Eingeschränkte Geschwindigkeit: Aufgrund der oszillierenden Bewegung ist das Verfahren langsamer als das Wälzfräsen.
Hoher Werkzeugaufwand: Erfordert spezielle Stoßwerkzeuge, die regelmäßig gewartet und geschärft werden müssen.

Wälzschleifen

Das Wälzschleifen ist ein hochpräzises Fertigungsverfahren, das für die Endbearbeitung von Verzahnungen verwendet wird. Durch den Schleifprozess können extrem feine Oberflächenqualitäten und geringe Toleranzen erreicht werden, was das Verfahren für anspruchsvolle Anwendungen wie Hochleistungsgetriebe attraktiv macht. Für hochpräzise Verzahnungen mit niedrigen Rauheitswerten und geringen Toleranzen wird das Schleifen eingesetzt. Es kommt typischerweise bei Kegelrädern und Hypoidverzahnungen zum Einsatz, die eine hohe Belastbarkeit erfordern.

Prozessablauf

Schleifscheibenwahl: Eine präzise Schleifscheibe, oft aus Hartmetall oder mit Diamantkörnung, wird ausgewählt.
Synchronisation: Das Werkstück und die Schleifscheibe rotieren synchron, um eine kontinuierliche Wälzbewegung zu gewährleisten.
Materialabtrag: Die Schleifscheibe trägt kleine Materialschichten ab und glättet die Zahnflanken, wodurch hohe Oberflächenqualitäten erreicht werden.
Kühlung: Aufgrund der hohen Reibungswärme ist eine kontinuierliche Kühlung erforderlich.

Vorteile

Exzellente Oberflächenqualität: Wälzschleifen ermöglicht eine sehr glatte Zahnflanke, was die Reibung und den Verschleiß reduziert.
Hohe Maßgenauigkeit: Das Verfahren ist ideal für präzise Anwendungen und enge Toleranzen.

Typische Anwendungen

Hochpräzise Getriebe, wie in der Automobilindustrie, Flugzeugtechnik und Präzisionsmaschinenbau, profitieren von diesem Verfahren.

Herausforderungen

Kosten: Hohe Kosten durch Schleifwerkzeuge und Kühlmittel.
Langsame Bearbeitung: Der Schleifprozess ist zeitaufwändig und wird meist nur für die Endbearbeitung verwendet.

Räumen

Räumen ist ein Verfahren, das speziell für die Serienproduktion und für große Werkstücke geeignet ist. Dabei wird ein sogenannter Räumwerkzeug verwendet, das aus mehreren hintereinander angeordneten Zähnen besteht, um das Zahnprofil in einem Durchgang zu formen.

Prozessablauf

Werkzeugauswahl: Das Räumwerkzeug wird auf das gewünschte Zahnprofil angepasst.
Einführung des Werkzeugs: Das Werkstück wird in eine Halterung gespannt, und das Räumwerkzeug wird durch das Werkstück gezogen oder geschoben.
Profilierung: Die aufeinanderfolgenden Schneiden des Räumwerkzeugs tragen schrittweise Material ab und erzeugen das endgültige Zahnprofil in einem Durchgang.
Endbearbeitung: Nach dem Räumen kann ein Polieren oder Schleifen nötig sein.

Vorteile

Hohe Produktionsgeschwindigkeit: Das Zahnprofil wird in einem einzigen Arbeitsgang geformt.
Geringe Nachbearbeitung: Für weniger präzise Anwendungen ist keine zusätzliche Bearbeitung nötig.

Typische Anwendungen

Räumen wird häufig für Achsen und Antriebswellen in Fahrzeugen sowie für Großgetriebe verwendet.

Herausforderungen

Werkzeugkosten: Räumwerkzeuge sind teuer und müssen exakt an das Werkstück angepasst werden.
Eingeschränkte Flexibilität: Da Räumwerkzeuge nur ein spezifisches Profil schneiden können, ist das Verfahren für Kleinserien weniger geeignet.

Schmieden

Das Schmieden ist ein Formgebungsverfahren, bei dem ein Werkstück unter Hitze und Druck in die gewünschte Form gebracht wird. Diese Methode ist besonders für die Herstellung von Rohteilen geeignet, die später bearbeitet werden.

Prozessablauf

Erwärmung des Werkstücks: Das Werkstück wird auf eine Temperatur erhitzt, bei der es verformbar wird.
Formgebung: Das Werkstück wird in eine Form gepresst, die das Zahnprofil vorgibt. Oft wird ein Gesenk verwendet, das die gewünschte Zahnstruktur abbildet.
Abkühlen und Härten: Das geschmiedete Werkstück wird abgekühlt und kann bei Bedarf gehärtet werden, um die Festigkeit zu erhöhen.
Nachbearbeitung: Die Zahnräder werden gefräst, geschliffen oder geschabt, um die gewünschte Endgeometrie und Oberflächenqualität zu erreichen.

Vorteile

Hohe Festigkeit: Schmieden führt zu einer Verfestigung des Materials, was die Bauteile extrem widerstandsfähig macht.
Geringer Materialverlust: Da das Material in die gewünschte Form gedrückt wird, bleibt der Verlust minimal.

Typische Anwendungen

Große und hochbelastete Zahnräder, wie in der Landwirtschaft, im Maschinenbau und in der Schwerindustrie.

Herausforderungen

Energieintensiv: Schmieden erfordert hohe Temperaturen und ist daher energieaufwendig.
Verzugsrisiko: Die hohe Hitze und der Druck können zu Materialverzug führen, weshalb eine Endbearbeitung oft nötig ist.

Axialformen – Eine spezielle Fertigungstechnik für Verzahnungen

Das Axialformen ist ein innovatives Verfahren zur Herstellung von Verzahnungen und besonders gut für die Serienfertigung geeignet. Es kombiniert hohe Genauigkeit mit einer effizienten Produktionsgeschwindigkeit und eignet sich besonders für kleinere und mittlere Verzahnungen, wie sie oft in der Automobilindustrie oder in der Elektrowerkzeugfertigung verwendet werden. Bei diesem Verfahren werden die Zähne durch eine axiale Bewegung in das Werkstück geprägt oder geformt, ohne dass Material entfernt wird.

Eigenschaften des Axialformens

Das Axialformen ermöglicht es, komplexe Zahnprofile mit minimalem Materialverlust und in relativ kurzen Zykluszeiten herzustellen. Durch das Verformen des Werkstoffs bleibt die Materialstruktur größtenteils erhalten, was zu einer hohen Festigkeit führt. Diese Methode eignet sich besonders gut für Materialien, die sich leicht umformen lassen, wie niedrig- bis mittellegierte Stähle und einige Nichteisenmetalle.

Prozessablauf des Axialformens

Rohteilvorbereitung: Das Werkstück wird in die Ausgangsform gebracht, meist durch Drehen oder Fräsen, sodass eine glatte Oberfläche und präzise Maße erreicht werden.
Formwerkzeug: Ein spezielles Formwerkzeug, das das gewünschte Zahnprofil enthält, wird axial auf das Werkstück gepresst. Das Formwerkzeug übt dabei eine hohe axiale Kraft auf das Werkstück aus und prägt das Zahnprofil in das Material ein.
Axialprägung: Das Werkzeug wird mit einer bestimmten Geschwindigkeit und unter konstanter Kraft axial in das Werkstück gedrückt. Dabei wird das Material in die Form des Zahnrades gedrückt, ohne dass Material abgetragen wird.
Endbearbeitung: Bei hochpräzisen Anforderungen kann eine zusätzliche Schleifbearbeitung oder Oberflächenveredelung (z.B. durch Polieren) erfolgen, um die gewünschte Genauigkeit und Oberflächenqualität zu erreichen.

Vorteile des Axialformens

Materialeffizienz: Da kein Material entfernt wird, ist der Materialverlust minimal, was zu Kosteneinsparungen führt.
Kürzere Produktionszeiten: Im Vergleich zu abtragenden Verfahren kann das Axialformen eine schnellere Fertigung ermöglichen, da kein Material abgetragen werden muss.
Hohe Festigkeit: Die Materialstruktur bleibt weitgehend erhalten, was die Belastbarkeit der Zähne erhöht.
Umweltfreundlichkeit: Geringer Abfall und weniger Energieverbrauch als bei abtragenden Verfahren, was zur Nachhaltigkeit beiträgt.

Typische Anwendungen

Das Axialformen eignet sich besonders für Massenproduktionen von Zahnrädern, die mittlere bis hohe Anforderungen an Präzision und Festigkeit stellen. Typische Anwendungsbereiche sind:

Automobilindustrie: Produktion von Zahnrädern für Getriebe, Pumpen oder Lenksysteme.
Elektrowerkzeuge: Antriebskomponenten, die eine hohe Festigkeit und Effizienz erfordern.
Kleinere Maschinenbaukomponenten: Zahnräder in Baugruppen, die kompakte und robuste Bauteile benötigen.

Herausforderungen und Überlegungen beim Axialformen

Werkzeugkosten: Die Herstellung des speziellen Formwerkzeugs kann teuer sein und erfordert eine genaue Anpassung an die Form des Zahnrads.
Materialverformung und Rückfederung: Einige Materialien zeigen nach der Prägung Rückfederungseffekte, was bei der Konstruktion und Auslegung des Werkzeugs berücksichtigt werden muss.
Begrenzte Materialauswahl: Nicht alle Werkstoffe eignen sich für das Axialformen; typischerweise müssen Materialien eine gewisse Duktilität und Verformbarkeit aufweisen.

Zusammenfassung: Axialformen im Kontext anderer Fertigungstechniken

Das Axialformen ist eine besonders effiziente und umweltfreundliche Methode zur Herstellung von Zahnrädern in großen Serien und mit mittleren bis hohen Qualitätsanforderungen. Es bietet eine hohe Maßgenauigkeit, Festigkeit und Produktivität und erweitert die Möglichkeiten, besonders in der Automobil- und Werkzeugindustrie, wo viele präzise Verzahnungen benötigt werden.

Walzen – Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Verzahnungen

Das Walzen ist ein spanloses Umformverfahren, das für die schnelle und präzise Herstellung von Verzahnungen eingesetzt wird. Im Gegensatz zu anderen Fertigungsverfahren, bei denen Material abgetragen wird, entsteht beim Walzen das Zahnprofil durch plastische Verformung des Werkstücks. Diese Technik wird häufig zur Herstellung von Massenprodukten verwendet und ist bekannt für hohe Produktionsgeschwindigkeiten sowie eine gute Oberflächenqualität der gefertigten Zahnräder.

Eigenschaften des Walzens

Das Walzen bietet den Vorteil einer hohen Materialeffizienz und Festigkeit. Da die Materialstruktur während des Walzens verdichtet wird, erhalten die gefertigten Zahnräder eine erhöhte Festigkeit und Verschleißbeständigkeit. Walzen eignet sich besonders für kleine und mittelgroße Zahnräder aus duktilen Materialien, wie niedrig- und mittellegierten Stählen sowie einigen Aluminiumlegierungen.

Prozessablauf

Vorbereitung des Rohlings: Ein zylindrischer Rohling wird in die Ausgangsform gebracht und auf eine kontrollierte Temperatur vorgewärmt, falls dies erforderlich ist.
Einspannen und Walzen: Der Rohling wird zwischen zwei oder mehreren Walzen positioniert, die das gewünschte Zahnprofil auf ihrer Oberfläche tragen.
Wälzbewegung: Während der Walzvorgang abläuft, wird der Rohling durch die rotierenden Walzen geführt, die durch hohen Druck das Material plastisch verformen und das Zahnprofil erzeugen.
Endbearbeitung: Bei Bedarf kann eine zusätzliche Endbearbeitung wie Schleifen oder Polieren erfolgen, um hohe Oberflächenqualitäten und präzise Maßtoleranzen zu erzielen.

Vorteile

Hohe Effizienz: Walzen ist extrem schnell und somit ideal für die Massenproduktion.
Materialverdichtung und Festigkeit: Die plastische Verformung verdichtet die Materialstruktur, was die Festigkeit und Dauerhaftigkeit der Zahnräder erhöht.
Geringer Materialverlust: Da kein Material abgetragen wird, bleibt der Materialverlust minimal.

Typische Anwendungen

Walzen wird häufig in der Automobil- und Elektrowerkzeugindustrie verwendet, insbesondere bei der Herstellung von Zahnrädern, die hohen dynamischen Belastungen standhalten müssen. Beispiele sind:

Automobilindustrie: Zahnräder für Getriebe und Lenkmechanismen, die eine hohe Festigkeit erfordern.
Elektrowerkzeuge: Getriebe in Geräten, die eine hohe Standfestigkeit und niedrige Produktionskosten verlangen.

Herausforderungen und Überlegungen beim Walzen

Werkzeugkosten: Die Herstellung der Walzen mit präzisem Zahnprofil ist kostenintensiv und erfordert regelmäßige Wartung.
Materialbeschränkungen: Nicht alle Materialien eignen sich für das Walzen; bevorzugt werden duktilere Werkstoffe, die sich leicht umformen lassen.
Verzugsrisiko: Die hohen Drücke während des Walzens können zu Verformungen des Werkstücks führen, insbesondere bei langen oder dünnwandigen Bauteilen.

Zusammenfassung: Walzen im Vergleich zu anderen Verfahren

Das Walzen ist besonders vorteilhaft für die Serienfertigung kleiner bis mittelgroße Zahnräder und bietet eine hohe Effizienz und Festigkeit der gefertigten Bauteile. Durch die spanlose Fertigung und die plastische Materialverdichtung eignet es sich ideal für Anwendungen, bei denen hohe Festigkeit bei minimalem Materialverlust gefordert ist. Im Vergleich zu Verfahren wie dem Wälzfräsen oder Räumen ist das Walzen weniger flexibel in Bezug auf die Geometrie und Toleranzen, jedoch wesentlich schneller und kosteneffizienter in der Großserienproduktion.

Zusammen mit dem Axialformen bietet das Walzen eine gute Lösung für die Serienproduktion, die hohe Materialfestigkeit und niedrige Produktionskosten erfordert. Diese Verfahren decken verschiedene Anwendungsbereiche und Anforderungen ab. Das Schmieden und Axialformen eignen sich für Großserienproduktionen, während das Wälzfräsen und Wälzschleifen für hohe Präzision eingesetzt werden können. Moderne Entwicklungen zielen darauf ab, die Effizienz dieser Verfahren zu verbessern, um Toleranzen und Oberflächenqualitäten weiter zu optimieren.

In Kombination mit anderen Fertigungsverfahren wie dem Schleifen oder Oberflächenhärten kann das Axialformen zudem zur Herstellung von Verzahnungen eingesetzt werden, die in anspruchsvollen Anwendungen standhalten müssen und gleichzeitig kosteneffizient gefertigt werden können.

Zusätzlich existieren moderne Verfahren wie das 3D-Druck-Verfahren für Prototypen, die additive Fertigung oder das Hartdrehen.

Konstruktion und Auslegung von Verzahnungen

Die Konstruktion von Verzahnungen erfordert präzise Berechnungen und Anpassungen, um Effizienz und Lebensdauer zu maximieren:

Modul und Zahnzahl: Das Modul bestimmt die Zahndicke und beeinflusst die Stabilität. Eine höhere Zahnzahl führt zu einem ruhigeren Lauf, kann jedoch die Belastbarkeit der einzelnen Zähne reduzieren.
Zahnbreite und Flankenwinkel: Diese beeinflussen die Kontaktfläche und damit die Kraftübertragung und den Verschleiß. Der Flankenwinkel ist abhängig von der Art der Verzahnung; bei Hypoid- und Schneckengetrieben werden spezielle Winkel für optimale Kraftübertragung genutzt.
Profilverschiebung: Die Profilverschiebung ermöglicht Anpassungen zur Erhöhung der Tragfähigkeit und Reduktion des Verschleißes. Besonders in Evolventenverzahnungen ist dies ein gängiges Verfahren.
Spiel und Toleranzen: Ein korrektes Zahnspiel ist notwendig, um thermische Ausdehnungen und Fertigungstoleranzen auszugleichen und eine reibungslose Bewegung zu gewährleisten.

Typische erreichbare Werte und Toleranzen variieren nach Verzahnungsqualität, z. B. für Feinverzahnungen (DIN 5-6) im Bereich von 0,001 bis 0,01 mm.

Wichtige Messgrößen und beschreibende Maße von Zahnrädern

Teilkreisdurchmesser (ddd) Der Durchmesser des Teilkreises, auf dem die Zahnflanken theoretisch abrollen. Der Teilkreisdurchmesser ist eine zentrale Größe bei der Auslegung und Berechnung von Zahnrädern.
Modul (mmm) Der Modul ist das Verhältnis des Teilkreisdurchmessers zur Zahnanzahl und ist ein Maß für die Größe der Zähne. Es bestimmt den Abstand der Zähne zueinander und die Höhe der Zähne.
Zahnflankenwinkel / Eingriffswinkel (α\alphaα) Der Eingriffswinkel beschreibt den Winkel, unter dem sich die Zahnflanken berühren. Standardmäßig wird oft ein Winkel von 20° verwendet.
Zähnezahl (zzz) Die Anzahl der Zähne auf dem Zahnrad bestimmt das Übersetzungsverhältnis und beeinflusst die Festigkeit und den Lauf des Zahnrades.
Kopfkreisdurchmesser und Fußkreisdurchmesser Der Kopfkreisdurchmesser ist der äußere Durchmesser des Zahnrades, der die Zahnspitzen beschreibt. Der Fußkreisdurchmesser beschreibt die Basis, auf der die Zahnflanken enden.
Zahndicke und Zahnlücken Die Zahndicke ist das Maß eines Zahns auf dem Teilkreis, während die Zahnlücke den Abstand zwischen zwei Zähnen auf dem Teilkreis bezeichnet.
Profilverschiebungsfaktor Der Profilverschiebungsfaktor beschreibt eine Maßnahme, um die Zahnform zu verändern, z.B., um die Tragfähigkeit des Zahnrades zu optimieren.
Rundlauf und Planlauf Der Rundlauf beschreibt die Genauigkeit des Zahnrades in radialer Richtung, während der Planlauf die Rechtwinkligkeit der Zahnflanken zur Achse definiert.

Messverfahren zur Bestimmung der Zahnräder-Maße

Es gibt verschiedene Methoden, um die Maßhaltigkeit und Qualität von Zahnrädern zu prüfen. Einige der wichtigsten Messverfahren sind:

3D-Koordinatenmesstechnik

Mit einem Koordinatenmessgerät (KMG) können Zahnräder dreidimensional vermessen werden. Hierbei wird die Position jedes Zahns exakt erfasst und alle relevanten Maße, wie der Kopfkreisdurchmesser, der Fußkreisdurchmesser oder der Teilkreisdurchmesser, können berechnet werden.

Profil- und Flankenmessung

Zur Messung des Zahnprofils wird ein spezielles Zahnradmessgerät eingesetzt, das das Profil und die Flanken der Zähne abtastet. Diese Messung ermöglicht die Überprüfung der Eingriffsqualität und die Ermittlung von Abweichungen vom Idealprofil.

Rundlaufmessung

Der Rundlauf eines Zahnrades wird häufig durch Messung an mehreren Stellen auf dem Teilkreis erfasst. Dies kann über Taster oder optische Sensoren geschehen und prüft, ob die Zahnradachse zentriert und gleichmäßig läuft.

Zahnweitenmessung

Bei der Zahnweitenmessung wird der Abstand zwischen zwei gegenüberliegenden Zahnflanken gemessen. Diese Methode kann mithilfe spezieller Messschrauben oder Messpins erfolgen und ist insbesondere bei Außenverzahnungen gebräuchlich.

Doppelprüfverfahren (Zwei-Wellen-Prüfung)

Dieses Verfahren überprüft die Passgenauigkeit eines Zahnrades mit einem Gegenrad. Hierbei wird das Zahnrad mit einem identischen Prüfzahnrad gekoppelt und die Gleichmäßigkeit des Eingriffs wird getestet. Dieses Verfahren wird häufig in der Serienfertigung verwendet.

Optische Messverfahren (z.B. Lichtgitter)

Optische Verfahren wie die Lichtgittertechnik ermöglichen eine berührungslose Messung und eignen sich besonders für kleine und empfindliche Zahnräder. Ein Lichtgitter wird über das Zahnrad projiziert, und anhand der Schatten und Reflexionen lassen sich präzise Maße ablesen.

Härteprüfung (Mikrohärte oder Oberflächenhärte)

Die Härte der Zahnoberflächen wird ebenfalls geprüft, da sie für die Lebensdauer und Tragfähigkeit wichtig ist. Mikro- oder Oberflächenhärteprüfungen erfolgen meist mit einem Härteprüfgerät und geben Auskunft über die Verschleißfestigkeit des Zahnrades.

Technologische Trends und Innovationen

Die Entwicklung der Verzahnungstechnologie hat in den letzten Jahren bedeutende Fortschritte gemacht:

Verbesserte Oberflächenbehandlungen: Beschichtungen wie DLC (Diamond-Like Carbon) und Hartverchromung sorgen für geringeren Verschleiß und Reibung, wodurch sich die Lebensdauer der Verzahnung erhöht.
Additive Fertigung: Der 3D-Druck ermöglicht das Erstellen komplexer Zahngeometrien und erlaubt die schnelle Herstellung von Prototypen oder Sonderverzahnungen, die mit konventionellen Verfahren nur schwer herzustellen sind.
KI und Machine Learning in der Produktionsoptimierung: Diese Technologien werden eingesetzt, um den Produktionsprozess zu optimieren und Fehler frühzeitig zu erkennen.
Automatisierte digitale Simulationen: Fortschritte in der Simulationstechnik ermöglichen es, Verzahnungen genau zu modellieren und die Leistungsfähigkeit, Lebensdauer und Effizienz einer Verzahnung vor der physischen Herstellung zu analysieren.

Neue Patente umfassen Entwicklungen für leichtere Materialien, präzisere Fertigungstechniken und innovative Zahnprofile für spezifische Anwendungen wie Elektromobilität und Windkraftanlagen.

Matrix der Verzahnungsklassen und -arten

Das Matrixdiagramm stellt die Verzahnungsklassen und -arten in einer strukturierten Übersicht dar. Die horizontale Achse zeigt die Art der Verzahnung (Stirnrad, Kegelrad etc.), während die vertikale Achse die Qualitätsklassen von präzise bis robust darstellt. Ein solches Diagramm gibt einen schnellen Überblick über die Eignung und typische Einsatzgebiete

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Diese umfassende Analyse und Betrachtung zeigen die vielseitigen Möglichkeiten, Anforderungen und Herausforderungen bei der Entwicklung und Anwendung von Verzahnungen. Mit den neuen Technologien und Entwicklungen wird die Verzahnungstechnologie auch in Zukunft eine Schlüsselrolle in industriellen Anwendungen spielen.

Materialien für Verzahnungen: Eigenschaften, Besonderheiten und Prozessketten

Die Wahl des Materials für Verzahnungen ist entscheidend für die Leistungsfähigkeit, Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Zahnradkomponenten. Verzahnungen sind hohen mechanischen Belastungen, Reibung und Verschleiß ausgesetzt, sodass die Materialauswahl und Verarbeitungstechniken eine wichtige Rolle spielen. In diesem Abschnitt werden die häufigsten Materialien, deren spezifische Eigenschaften und typische Prozessketten für die Zahnradherstellung beschrieben.

Typische Materialien für Verzahnungen

Stähle

Eigenschaften: Stähle sind die an den häufigsten verwendeten Materialien für Verzahnungen. Sie bieten eine hohe Festigkeit, Zähigkeit und Verschleißbeständigkeit, die sich für dynamische und hoch belastete Anwendungen eignen. In gehärteter Form können sie zudem hohe Druckspannungen aufnehmen.
Typische Stahlsorten: Häufig verwendete Stahlsorten sind 16MnCr5 (ein legierter Einsatzstahl für Härte und Zähigkeit), 20MnCr5 (höhere Kohlenstoffwerte für verbesserte Oberflächenhärte) und 42CrMo4 (für größere Härteanforderungen und stabilere Bauteile).
Prozesskette:

Schmieden oder Gießen: Stähle werden häufig in der gewünschten Grundform gegossen oder geschmiedet.
Weichbearbeitung: Fräsen, Drehen oder Wälzstoßen zur Vorbearbeitung der Zähne.
Härten (z.B. Einsatzhärten oder Induktionshärten): Erhöht die Härte der Zahnflanken und verleiht den Zähnen eine verschleißfeste Oberfläche.
Schleifen oder Feinschleifen: Für hochpräzise Anwendungen und zur Verbesserung der Oberflächenqualität.

- Verarbeitungshinweise: Bei der Verarbeitung von gehärtetem Stahl sind feine Toleranzen und präzise Oberflächenbearbeitungen erforderlich. Die Härteprozesse müssen kontrolliert durchgeführt werden, um Härteverzüge zu minimieren.

Gusseisen

Eigenschaften: Gusseisen weist eine gute Verschleißfestigkeit und Dämpfungsfähigkeit auf, was es für Anwendungen mit geringer Geschwindigkeit und hohen Belastungen geeignet macht. Durch seinen hohen Kohlenstoffgehalt ist es jedoch spröder als Stahl.
Typische Gussarten: Grauguss (z.B. GJL-250) und Sphäroguss (z.B. GJS-400) sind die am häufigsten verwendeten Varianten. Grauguss bietet eine hohe Verschleißfestigkeit, während Sphäroguss eine bessere Zähigkeit und Festigkeit bietet.
Prozesskette:

Gießen in Sandformen oder Metallformen, um die Form des Zahnrads zu erzeugen.
Mechanische Bearbeitung (z.B. Fräsen, Drehen, Bohren): Nachbearbeitung, um genaue Toleranzen zu erreichen.
Finish-Bearbeitung bei Bedarf (z.B. Schleifen), um eine saubere Oberfläche zu erzeugen.

Verarbeitungshinweise: Gusseisen erfordert spezielle Fräswerkzeuge und Kühlmethoden, da es zur Bildung von feinen Spänen neigt, die abrasiv wirken können. Zudem ist auf die spröde Struktur zu achten, die bei hohen Stößen zu Rissen führen kann.

Kunststoffe

Eigenschaften: Kunststoffe sind leicht, korrosionsbeständig und dämpfungsfähig. Sie sind besonders in geräuscharmen und nicht allzu hoch belasteten Anwendungen beliebt, wie etwa in Haushaltsgeräten und der Medizintechnik.
Typische Kunststoffe: Polyamid (PA), Polyoxymethylen (POM) und Polyetheretherketon (PEEK) sind häufig genutzte Kunststoffe. PEEK bietet eine hohe Temperaturbeständigkeit und Festigkeit, während PA und POM kostengünstiger sind.
Prozesskette:

1. 1. Spritzguss oder Extrusion: Um das Zahnrad aus dem Kunststoff zu formen.
  2. Kühlung und Nachbearbeitung: Für höhere Präzision und Nachbearbeitung, falls erforderlich.
  3. Glätten und/oder Beschichten: Falls erforderlich, um die Oberflächenreibung weiter zu reduzieren.

Verarbeitungshinweise: Beim Spritzguss sind Schrumpfung und Verzug zu beachten, die bei Kunststoffen auftreten können. Kühlprozesse müssen exakt eingestellt werden, um Verformungen zu minimieren.

Pulvermetallurgie (PM) – Materialien

Eigenschaften: Pulvermetallurgische Materialien, wie Sinterstahl, sind besonders für die Massenproduktion geeignet. Sie bieten eine gute Festigkeit und können in komplexe Formen gebracht werden, ohne dass viel Nachbearbeitung nötig ist.
Typische Pulvermetallurgische Legierungen: Sinterstahl aus Eisenbasiswerkstoffen mit geringen Anteilen an Kupfer, Molybdän oder Nickel zur Verbesserung der Festigkeit und Härte.
Prozesskette:

Pressen: Metallpulver wird in einer Form unter hohem Druck verdichtet.
Sintern: Das verdichtete Werkstück wird bei hoher Temperatur erhitzt, um die Metallpartikel miteinander zu verschmelzen.
Härten und Nachbearbeitung: Härteprozesse wie Induktionshärten oder Beschichtungen erhöhen die Verschleißfestigkeit.

Verarbeitungshinweise: Die Dichte und Porosität der gesinterten Zahnräder muss überwacht werden, da diese die mechanischen Eigenschaften beeinflusst. Die Endbearbeitung kann erforderlich sein, um die Oberflächenhärte zu verbessern und die Rauheit zu minimieren.

Leichtmetalle (z.B. Aluminium, Titan)

Eigenschaften: Leichtmetalle sind leicht und bieten ein gutes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. Aluminium- und Titanlegierungen sind korrosionsbeständig und haben eine hohe Festigkeit, was sie für Anwendungen in der Luftfahrt und im Automobilbau geeignet macht.
Typische Legierungen: AlSi10Mg für Aluminium und Ti-6Al-4V für Titan sind weit verbreitet.
Prozesskette:

Gießen oder Schmieden: Herstellung der Grundform, oft gefolgt von mechanischer Bearbeitung.
Mechanische Bearbeitung (Fräsen, Drehen): Zur präzisen Gestaltung der Verzahnung.
Beschichten (z.B. Anodisieren bei Aluminium) zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit.

Verarbeitungshinweise: Leichtmetalle sind empfindlich gegenüber hohen Temperaturen und neigen bei unsachgemäßer Bearbeitung zu Verformungen. Die Kühlstrategien müssen sorgfältig geplant und angewendet werden, um eine gleichmäßige Wärmeverteilung zu gewährleisten.

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Wichtige Überlegungen bei der Verarbeitung

Die Materialverarbeitung spielt eine entscheidende Rolle, um Verzahnungen mit den gewünschten mechanischen Eigenschaften herzustellen. Hohe Präzision, geeignete Härte, Verschleißbeständigkeit und das Vermeiden von Rissen sind wesentliche Faktoren, die den Fertigungsprozess beeinflussen. Typische Herausforderungen und Anforderungen an die Verarbeitung umfassen:

Kontrollierte Härteprozesse: Besonders bei Stählen ist die Wärmebehandlung ein kritischer Schritt, um Rissbildung und Verzug zu minimieren.
Kühlprozesse: Sowohl bei Metallen als auch bei Kunststoffen sind kontrollierte Kühlprozesse wichtig, um Verzug und Maßabweichungen zu vermeiden.
Porositätskontrolle bei Sinterwerkstoffen: Die Dichte des Materials beeinflusst die Festigkeit; Poren können zu einer frühzeitigen Materialermüdung führen.
Vermeidung von Oberflächenschäden: Insbesondere bei Titan und Aluminium muss darauf geachtet werden, dass Oberflächen nicht durch falsche Bearbeitung beschädigt werden, da diese Metalle zu Rissbildung und Korrosion neigen.

Durch eine sorgfältige Auswahl und Verarbeitung der Materialien lassen sich Verzahnungen herstellen, die den spezifischen Anforderungen an Lebensdauer, Festigkeit und Effizienz gerecht werden. Die Materialwissenschaft und Fertigungstechnologie für Verzahnungen entwickeln sich stetig weiter, um die Leistungsfähigkeit und Effizienz von Getriebesystemen zu maximieren.

Autor des Artikels: Wolfgang A. Haggenmüller
Zum Original-Artikel geht es hier lang: Mobility & More, dem Blog mit Mobilität, Technologie und Nachhaltigkeit im Fokus.

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