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FachberichtSpielfreie Verzahnungen bieten ungeahnte Möglichkeiten

Die Wärmedehnung und die mikrogeometrische Verformung des Systems durch die Belastung macht Zahnspiel, wenn auch nur ein geringes, unverzichtbar. Ohne Zahnspiel wird das Getriebe infolge Überhitzung und großem Druck durch die Dehnungen zerstört. Es ist sind bisher nur "spielarme Getriebe" mit teurer Herstellung möglich. Deshalb geben viele Getriebehersteller als Kenngröße für die hohe Qualität Ihrer Getriebe den Verdrehungswinkel infolge des Zahnspieles an.
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Spielfreie Verzahnungen: Spielfreie Verzahnungen bieten ungeahnte Möglichkeiten

Besonders Zahnräder aus Kunststoff haben eine größere Wärmedehnung und infolge des geringeren Elastizitätsmoduls eine größere Verformung. Deshalb ist bisher besonders bei Kunststoffverzahnungen ein großes Zahnspiel erforderlich.

Spielfreie Verzahnungen

Es wird nun ein anderer Weg aufgezeigt, der es ermöglicht alle herkömmlichen Maschinenelemente mit Verzahnungen spielfrei zu gestalten. Grundprinzip ist dabei die Dehnungen federnd auszugleichen und die zerstörerischen Wirkungen zu verhindern. Das Getriebe muss die geforderten Kräfte und Momente übertragen. Dieses macht es erforderlich, dass die Federvor-spannung größer ist als die Beanspruchung durch die äußere Belastung.

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Gestaltung der Feder am Beispiel Stirnräder

Die Lösung besteht darin, dass Getriebe aus zwei Kunststoff-zahnrädern oder aus einem Metall- und einem Kunststoff-zahnrad zu fertigen. 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 (Bild 1) 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 bean-spruchtes Rohr mit verhältnis-mäßig 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.

Ausführung der Verzahnungsgeometrie:

Damit eine stabile Verzahnung erreicht wird sollten die Kunststoffzähne mit einer positiven Profilverschiebung etwa zwischen x=+0,5 und +1 ausgeführt werden. Wird gleichzeitig ein großer Schrägungswinkel ß vorgesehen und eine große Zahnbreite im Bereich von 8 bis 10 x Modul, so erhält man mehrere tragende Zähne und kann relativ große Momente übertragen. Beim wesentlich stabileren Metallrad kann entweder Null-verzahnung oder negative Profilverschiebung ausgeführt werden, sodass V-Null Getriebe möglich sind.

Anwendungen der spielfreien Verzahnungen

Das Kegelradgetriebe (Bild 2) ist der Antrieb eines Kurbeltriebs. Oszillierende Rückstellmomente zwingen das Kegelradgetriebe spielfrei zu gestalten. Der Kurbeltrieb treibt das Stirnradpaar (Bild 3) 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

Getriebe, die oszillierende Elemente antreiben; Getriebe mit genauer Übertragung des Drehwinkels ohne das geringste Spiel (Messverzahnungen); Getriebe die Drehschwingungen übertragen; Lenkgetriebe usw.. Die entstehende Wärmedehnung wird ausgeglichen durch die Federung. In vielen Fällen sind Verzahnungen mit geringeren Qualitäten verwendbar. Es wird möglich Verzahnungen fertigt zu Gießen statt zu Zerspanen. Diese spielfreien Verzahnungen wurden vonHans-Erich Maul entwickelt. Die gezeigten Zahnräder werden im Textilmaschinenbau eingesetzt mit sehr guter Lebensdauer, mit einer Einmalfettschmierung bei Montage. ED ca. 40%.

Als Werkstoff des Kunststoff-zahnrades ist z.B.: PA 12G möglich. Dieser ist druck los zu gießen. Trockenlauf ist Problemlos möglich. Er hat gute mechanische Werte und eine sehr geringe Wasseraufnahme sowie einen sehr kleinen Temperaturausdehnungskoeffizi-enten. Besonders vorteilhaft ist es Metallnaben direkt ein zu gießen. Es sind damit Getriebe ohne jegliches Verdrehwinkelspiel herzustellen. Der Einsatzbereich ist auf mittlere Belastungen, Aussetzbetrieb mit einer ED von ca.50% und einem niedrigen Temperaturbereich beschränkt! Anwendungen im allgemeinen Maschinenbau, Getriebebau, der Antriebstechnik, dem Lebensmittel- Medizin- Druck- Papier- Textilmaschinenbau usw. sind möglich. Aber auch in der Uhren- und Spielwarenindustrie können solche spielfreien Verzahnungen große Vorteile bringen, genaue Übersetzungen zu ermöglichen. Solche Verzahnungen können von der Fa. Maul- Konstruktionen aus Aachen in sehr vielen Varianten gestaltet werden. lg

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