Produktschulung Stirnzahnräder und Zahnstangen

Produktschulung
Stirnzahnräder und Zahnstangen
26.03.2013
K. Schmidt
Gliederung
Seite
1. Definition ……………………………….… 2
2. Verwendung, Wirkungsgrad……………. 2
3. Begriffe am Stirnzahnrad ………………. 2
4. Evolventenverzahnung …………………. 3
5. Herstellung ………………........................ 3
6. Wärmebehandlung ………………………. 5
7. Nachbearbeitung…………………………. 5
8. Geradverzahnung………………………… 5
9. Schrägverzahnung………………………. 6
10. Modul….…………………………………. 7
11. Bezugsprofil……………… …………….. 7
12. Diametral Pitch……..………………….... 7
13. Verzahnungsqualität……………………. 8
14. Achsabstand……….……………………. 8
15. Flankenspiel, Spielfreiheit……………….9
16. Profilverschiebung, Unterschnitt ……… 9
17. Auswahl / Dimensionierung… ………… 10
18. Katalogangaben……………… ………... 11
19. Befestigungsmöglichkeiten… …………. 11
20. Innenzahnkränze………………………... 11
21. Planetengetriebe……………… ……….. 12
22. Zahnstangen…………… ………………. 12
23. Härteverfahren……………….………….. 13
24. Geschichte der Stirnzahnräder….…….. 14
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1. Definition
Das Maschinenelement Zahnrad (z.B. Stirnzahnrad, Kegelrad, Schneckenrad, Kettenrad,
Zahnriemenrad,…) ist ein Rad mit über den Umfang gleichmäßig verteilten Zähnen.
Stirnzahnrad: Stirnseitig verzahntes Rad,
auch kurz Stirnrad genannt
(außerdem werden Stirnzahnräder und
andere, zumeist kleine Antriebsräder
häufig als Ritzel bezeichnet).
2. Verwendung, Wirkungsgrad
Zahnräder werden vorwiegend zur Übertragung einer Drehbewegung (mehrere Zahnräder im Eingriff))
oder zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung (Paarung eines Zahnrades
mit einer Zahnstange) gebraucht. Zahnradtriebe sind formschlüssig, ohne Schlupf.
Weitere Verwendung: Zum Beispiel als Impulsgeber (für ABS-Sensoren oder Taktung).
Der Wirkungsgrad liegt pro Zahnradstufe bei ca. 98%.
3.1 Begriffe am Stirnzahnrad
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3.2 Eingriffswinkel
Das ist der Winkel, in dem die
Eingriffsstrecke geneigt ist Dieser
entspricht dem Flankenwinkel des
Bezugsprofils. Üblich sind 20°.
4. Evolventenverzahnung
Bedeutendste Verzahnungsart für Stirnzahnräder, Kegelräder und Schneckenräder im Maschinenbau.
Die Flanken der Zähne des
Zahnrades werden von Evolventen
gebildet. Eine Evolvente wird durch
die Bahnkurve des Endpunkts
eines straff gespannten Fadens,
der von einem Zylinder
abgewickelt wird, gebildet. Der
Zylinderdurchmesser entspricht
hierbei dem Grundkreis des
Zahnrads
5. Herstellung
5.1 Spritzen aus Kunststoff
+ Preiswert bei großen Stückzahlen.
+ Glatte Oberfläche.
+ Sonderformen sind einfach zu realisieren.
- Schlechte Verzahnungsqualität.
- Lunkerstellen möglich.
- aufwändige Herstellung der Spritzwerkzeuge.
5.2 Fräsen (aus Metallen, Kunststoff, Composit-Werkstoffen,…)
Der Rohling wird vorgedreht und anschließend auf einer speziellen Verzahnungsmaschine verzahnt.
+ Wirtschaftlich auch bei Einzelstücken.
+ Vielseitigkeit (beliebige Zahnformen, Keilprofile Kettenradverzahnungen, Rasträder, etc.).
+ beliebige Schrägungswinkel möglich.
+ beliebige Verzahnungsbreiten möglich.
+ ununterbrochene Zerspanung ohne Rückhubbewegungen.
+ durch kontinuierliche Zerspanung günstige Kräfteverhältnisse und hohe Genauigkeit.
+ einfache Herstellung der Werkzeuge.
+ einfache Werkzeugeinstellung auf der Maschine.
- Für jede Zahngröße (für jeden Modul) ist ein spezieller Fräser erforderlich.
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5.3 Verzahnung stoßen
Vor dem Verzahnen wird der Rohling vorgedreht. Beim Wälzstoßen drehen sich Werkzeug und
Werkrad entsprechend ihren Zähnezahlen. Gleichzeitig führt das Schneidrad die zur Spanabnahme
notwendige Hubbewegung in Achsrichtung aus. Während des Rückhubes (Leerhubes) wird das
Schneidrad vom Werkrad abgehoben, um eine Kollision mit dem weiterwälzenden
Verzahnungswerkstück zu vermeiden. Das zahnradförmige Werkzeug hat evolventenförmige Flanken.
Anwendung: Für gerade und schräge Innen- und Außenverzahnung.
+ Einfaches, preiswertes Werkzeug.
+ Sehr kleiner Verzahnungsauslauf erforderlich.
- Viele Werkzeuge erforderlich (das Werkzeug muss etwas weniger Zähne haben
als das fertige Zahnrad haben soll.
- Leerhub (Rückwärtsbewegung ohne spanende Funktion).
- für linke und rechte Zahnschräge sind unterschiedliche Stößel-Führungskurven und
Werkzeuge erforderlich.
5.4 Verzahnung hobeln
Vor dem Verzahnen wird der Rohling vorgedreht. Das zu verzahnende Werkstück wälzt sich an dem
Hobelwerkzeug ab. Die Schnittbewegung wird vom Werkzeug ausgeführt. Während des Hobelns
bewegt sich das Werkstück nicht. Beim Rückhub wird das Hobelwerkzeug abgehoben. Wenn ein Zahn
fertigbearbeitet ist, wird das Werkstück um eine Zahnteilung gedreht. Das Werkzeug ist ein
Verzahnungsteil, dessen Flanken nach hinten freigearbeitet sind. Es wird als Schneidkamm
bezeichnet.
Anwendung: Geeignet für Gerad- und Schrägverzahnungen für relativ große Abmessungen.
+ Einfaches, preiswertes Werkzeug.
+ genaue Flankenform.
- Leerhub.
- keine Innenverzahnung möglich.
5.5 Verzahnung sintern
Das komplette Rad wird aus Metallpulver unter hoher Temperatur und hohem Druck gesintert.
1. Schritt: Mischen des Metallpulvers.
2. Schritt: In Form Pressen des Metallpulvers.
3. Schritt: Während des anschließenden Sinterns unterhalb des Schmelzpunktes der
Legierungselemente (im Temperaturbereich zwischen 1100°C und 1300°C) schmilzt das Pulver nicht,
sondern es werden die Pulverpartikel durch Diffusion verbunden. Im direkten Anschluss an das
Sintern kann auch eine Härtung "aus der Sinterhitze" heraus erfolgen.
4. Schritt: Durch Kalibrieren und Prägen wird sowohl die Maßgenauigkeit als auch die Dichte erhöht
und die Oberflächenrauigkeit des Sinterteils verbessert. Auch eine anschließende Wärmebehandlung
zur Steigerung der Härte ist möglich.
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+ Preiswert bei großen Stückzahlen.
+ Glatte Oberfläche
+ Sonderformen sind einfach zu realisieren.
- Schlechte Verzahnungsqualität
- aufwändige Herstellung der Sinterwerkzeuge
6. Wärmebehandlung
Durch nachträgliches Härten kann die Zahnflankentragfähigkeit enorm erhöht werden.
Auch die Zahnfußfestigkeit wird dadurch erhöht. Damit können höhere Drehmomente übertragen
werden. Detaillierte Beschreibung der verschiedenen Härteverfahren: Siehe Seite 13.
Stirnräder aus Automatenstahl 11SMnPB30 können nitriert werden.
Stirnräder aus C45 und 42CrMo4 können gut induktiv gehärtet werden.
Stirnräder aus 16MnCr5 können gut einsatzgehärtet werden. Häufig werden diese Räder werden
anschließend geschliffen, um eine glatte und profilgetreue Oberfläche zu erreichen.
7. Nachbearbeitung (Fertigbearbeitung)
Grundsätzlich können alle Katalogräder, die nicht gehärtet sind, nachgearbeitet werden.
Mögliche mechanische Nachbearbeitungen: z.B. Bohrung vergrößern, Passfedernut einbringen,
Feststellgewinde einbringen, Zahnscheibe schmaler drehen, Nabendurchmesser verkleinern, Nabe
kürzen oder ganz abdrehen.
Hinweis: Wenn bei Zahnrädern nach dem Verzahnen die Bohrung vergrößert oder eine Planfläche
abgedreht wird, verschlechtert sich dadurch der Rundlauf bzw. Planlauf.
Weitere mögliche Nachbearbeitungen: z.B. Oberflächenbeschichtungen
(bei Rädern aus nicht-rostfreien Stählen):
• Verzinken / Chromatieren.
• Verchromen.
• Brünieren.
• Phosphatieren.
8. Geradverzahnung (a)
Die Zähne stehen parallel zur
Achsrichtung
(Schrägungswinkel = 0 Grad).
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9.1 Schrägverzahnung (b)
Die Zähne stehen in einem Winkel
zur Achsrichtung
(Schrägungswinkel größer 0 Grad).
Achtung:
• Bei Schrägverzahnung treten Kräfte in axialer Richtung auf. Diese müssen durch die Lagerung
aufgenommen werden und verschlechtern den Wirkungsgrad.
• Bei Schrägverzahnung sind Teilkreisdurchmesser, Außendurchmesser und Achsabstand größer als
bei gerader Verzahnung mit gleichem Modul und gleicher Zähnezahl.
• Bei Schrägverzahnung müssen beide Räder bzw. Rad und Zahnstange entgegengesetzte
Schrägungsrichtung haben (ein Rad rechtsteigend, ein Rad linkssteigend).
Merkhilfe: Wenn man das Rad flach auf den Tisch legt, sieht man die Steigungsrichtung:
Beispiel linkssteigendes Rad:
9.2. Doppel-Schrägverzahnung
Durch eine Doppelschrägverzahnung
(Pfeilverzahnung) heben sich die
Axialkräfte gegenseitig auf.
9.3 Schraubradgetriebe
Zwei Stirnzahnräder mit gleichem
Schrägungswinkel und gleicher
Schrägungsrichtung laufen auf
gekreuzten Achsen. Das
übertragbare Drehmoment ist sehr
gering weil sich die Zahnflanken nur
punktförmiger berühren.
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10. Modul
Der Modul m ist ein Grundmaß zur Errechnung der Zahngröße und weiterer Verzahnungsmaße.
Module sind genormt nach DIN 867 in Größen von 0,3 bis 75mm.
11. Bezugsprofil
Bezugsprofile sind genormt nach DIN 867.
Häufig verwendet wird BP II. Dabei ist das Kopfspiel 0,25 mal Modul.
Die gesamte Zahnhöhe ist 2,25 mal Modul.
12. Diametral Pitch
Im zölligen System sind die Verzahnungsmaße auf Zollmaße bezogen (1 Zoll = 25,4mm).
Entgegen der Modulgrößen nach DIN 867 sind bei Diametral Pitch die Zahngröße und die
Größenbezeichnung gegenläufig. Je größer die Bezeichnung, um so kleiner ist die Zahngröße:
DP 1
= Modul 25,4
DP 25,4 = Modul 1
DP 50,8 = Modul 0,5
13.1 Verzahnungsqualität
Nach DIN 3961 gibt es 12 Verzahnungsqualitäten, die mit unterschiedlichen Fertigungsmethoden
erreicht werden können. Qualität 1 ist die feinste und Qualität 12 die gröbste Verzahnungsqualität.
Qualitäten bei verschiedenen Fertigungsmethoden:
• Qualität 1-6 gehont.
• Qualität 2-7 geschliffen.
• Qualität 5-7 geschabt, (kaltgewalzt).
• Qualität 5-9 wälzgefräst, wälzgehobelt, wälzgestoßen.
• Qualität 7-12 formgefräst, formgestoßen.
• Qualität 8-12 gestanzt, gepresst, gesintert, gespritzt.
13.2 Angabe der Verzahnungsqualität - Beispiel 8 d 25:
„8“ ist die allgemeine Angabe der Verzahnungsqualität nach DIN 3961. Die dahinterstehenden
Toleranzen für Profilabweichungen (in Form und Winkel usw.), Teilungsabweichungen,
Rundlaufabweichung und Zahndickenschwankung sind in DIN 3962 beschrieben.
„d“ steht für die Lage des oberen Zahndicken-Abmaßes (Werte siehe DIN 3967)
„25“ steht für den Toleranzbereich des Zahndickenabmaßes (Werte siehe DIN 3967).
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13.3 Verzahnungsprüfung
Die vollständige Prüfung erfolgt sinnvollerweise auf einer Verzahnungsprüfmaschine.
Manuell kann z.B. die Zahnweite geprüft werden. Dabei wird die Breite über eine bestimmte Anzahl
Zähne geprüft (die Anzahl ist abhängig von der Zähnezahl des Rades). Das Sollmaß kann vom
Kunden vorgegeben und/oder errechnet werden.
14. Achsabstand
Der theoretische (rechnerische) Achsabstand muss relativ genau eingehalten werden, damit das
Flankenspiel weder zu klein noch zu groß ist. Achsabstände sind genormt nach DIN 3964.
Richtwerte:
+/- 0,03mm für Achsabstände bis 40mm
+/- 0,04mm für Achsabstände bis 100mm
+/- 0,05mm für Achsabstände bis 250mm
+/- 0,07mm für Achsabstände über 250mm
Bei geradverzahnten Stirnrädern ohne Profilverschiebung (geradverzahnte Katalogräder, für
sogenannte „Null-Getriebe“) kann der Achsabstand einfach aus dem Modul und den Zähnezahlen
der beiden Räder errechnet werden:
Achsabstand =
Achtung: Bei Profilverschiebung oder Schrägverzahnung ändert sich der Achsabstand im Vergleich
zum Null-Getriebe. Daher muss dort mit den Wälzdurchmessern gerechnet werden.
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15.1 Flankenspiel
Flankenspiel ist erforderlich, damit Rundlaufabweichungen und Temperaturschwankungen
ausgeglichen werden können und als Platz für Schmiermittel zu lassen. Das Flankenspiel ergibt sich
aus Modul, Durchmesser (Zähnezahl) und Verzahnungsqualität beider Räder. Es lässt sich einfach mit
Stirnzahnrad-Berechnungsprogrammen errechnen und mittels Fühlerlehre messen.
Typische Flankenspiele für Qualität 8:
Modul 0,3 bis 0,7: ca. 0,05mm.
Modul 1,0 bis 2,5: ca. 0,10mm.
Modul 3,0 bis 4,0: ca. 0,20mm.
Modul 5,0 bis 8,0: ca. 0,30mm.
15.2 Spielfreiheit
Absolute Spielfreiheit bedeutet: keinerlei Flankenspiel.
Dies ist aber nur durch elastisch vorgespannte Zahnräder zulässig (weil ein Ausgleich von
Rundlaufabweichungen und Temperaturschwankungen möglich sein muss).
Wenn bei einem Zahnstangentrieb das Flankenspiel stark verringert oder sogar auf Null gebracht wird,
kann es zu einem weiteren Problem kommen: Das Rad kann in der Zahnstange "klemmen".
Bei einem solchen Fall muss beim Zahnrad eine Kopfkürzung vorgenommen und bei den
Zahnstangen die Kopfkanten stark angefast werden.
Beispiel für ein geteiltes, vorgespanntes Stirnzahnrad:
16.1 Profilverschiebung
Beim Herstellen wird das Werkzeug um Betrag x Modul vom Teilkreis abgerückt oder hingerückt und
auf diesem abgewälzt. Der Teilkreisdurchmesser (Bezugskreisdurchmesser) bleibt
unverändert. Der Wälzkreis ist aber größer (bei positiver Verschiebung) oder kleiner (bei negativer
Verschiebung) als der Teilkreis.
Nullräder (Katalogräder) bzw. Nullgetriebe haben keine Profilverschiebung.
V-Nullgetriebe bestehen aus einem Rad mit positiver und einem Rad mit negativer
Profilverschiebung. Die Profilverschiebungen sind dabei aber gleich groß.
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V-Getriebe: Die Profilverschiebung sind ungleich 0
Abbildung:
Mittig: Ohne Profilverschiebung (a).
Links: Positive Profilverschiebung (b).
Rechts: Negative Profilverschiebung (c).
Gründe für Profilverschiebung:
• Wenn ein konstruktiv bedingter Achsabstand erreicht werden muss
• Höhere Tragfähigkeit durch positive Verschiebung (Ritzel möglichst V-Plus-Rad)
• Hoher Überdeckungsgrad durch negative Verschiebung für gleichförmigen
und ruhigen Lauf
• Durch bestimmte Aufteilung (x1 und x2) kann annähehrend gleiche
Tragfähigkeit erreicht werden in beiden Rädern
16.2 Unterschnitt
Wenn Stirnzahnräder mit weniger als 15 Zähnen
die Standard-Zahnform hätten, würden beim
„Null-Achsabstand“ der Zahnkopf des einen Rades
gegen den Zahnfuß des Gegenrades stoßen.
Um dies zu vermeiden, sind die Katalogzahnräder
mit weniger als 15 Zähnen unterschnitten
(am Zahnfuß schmaler).
17. Auslegung / Dimensionierung von Stirnzahnrädern
Hauptkriterien:
• Drehmoment.
• Drehzahl.
• Lebensdauer.
• Übersetzung.
• Hauptabmessungen
(Achsabstand, Durchmesser, Breite).
Weitere Kriterien:
• Einsatztemperatur.
• Schmierung.
• Eventuelle Werkstoffvorgaben
(z.B. Rostfrei vorgeschrieben).
• Preis (z.B. Katalogartikel auswählen
statt Sonderanfertigung).
Die Berechnung eines Stirnradsatzes erfolgt sinnvollerweise mittels eines Berechnungsprogramms.
Übliche Berechnungsprogramme erfordern relativ viele Eingaben. Dafür werden aber auch zusätzlich
interessante Werte wie Achsabstand, Achsabstandstoleranz und Daten für die Zahnweitenmessung
ausgegeben.
Erforderliche Sicherheiten (Empfehlung nach DIN 3990-11):
Zahnfußsicherheit (gegen Bruch) mindestens 1,4.
Zahnflankensicherheit (gegen Verschleiß) mindestens 1,0.
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Hinweise:
a) Die im Katalog angegebenen Drehmomente sind Maximalwerte für einen ganz bestimmten
Anwendungsfall (z.B. Übersetzung 1:1, Umfangsgeschwindigkeit 10m/s, ausreichende Schmierung,
Dauerfestigkeit 10.000 Stunden). Wenn die Zahnräder wesentlich langsamer laufen, kann das
Drehmoment deutlich erhöht werden.
b) Wenn Berechnungen für einen Kunden durchgeführt werden, geschieht dies bei Mädler kostenlos.
Dabei muss unbedingt (z.B. auf dem Angebot) vermerkt werden, dass die Berechnung für den Kunden
kostenlos durchgeführt wurde und ohne jegliche Gewähr ist.
18. Katalogangaben
• gefräste Zähne: Siehe Absatz 5.
• gerade verzahnt: Siehe Absatz 8 und 9.
• Verzahnungsqualität 8 d 25: Siehe Absatz 13.1.
• Eingriffswinkel 20°: Siehe Absatz 3.2.
• zul. MD: Siehe Absatz 17.
19. Befestigungsmöglichkeiten
Zur Befestigung von Antriebsrädern (Kettenrädern,
Keilriemenscheiben, Zahnriemenrädern, Stirnzahnrädern usw.)
bzw. Naben auf Wellen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten.
Die meisten Räder werden mit einer relativ kleinen Bohrung
bevorratet, um eine entsprechende Weiterbearbeitung zu
ermöglichen. Bearbeitungen wie Aufbohren, Nuten usw. sind
gegen Mehrpreis möglich.
Bitte beachten: Kettenräder, Keilriemenscheiben, Stirnzahnräder
und Schneckenradsätze sind zum Teil in einbaufertiger
Ausführung fertig gebohrt und genutet oder für TaperSpannbuchse für verschiedene Wellendurchmesser vorrätig.
Verstiften
Nabe und Welle werden durchbohrt und mit einem Passstift
miteinander verbunden. Üblicherweise wird nur eine Nabenhälfte
vorgebohrt, das Rad auf die Welle gesteckt und dann die Nabe
zusammen mit der Welle durchgebohrt. Anschließend wird
der Stift eingetrieben. Diese Befestigungsart ist für geringe
Drehmomente geeignet.
Passfeder-Verbindung
Welle und Nabe werden jeweils mit einer Nut versehen. In die
Wellennut wird eine Passfeder eingelegt. Das Rad wird aufgeschoben und gegen axiales Verschieben gesichert (mittels
Feststellschraube oder mittels Wellenabsatz und Axialschraube
und Scheibe an der Stirnseite der Welle). Die gebräuchlichste
Nutform ist DIN 6885/1. Passfederverbindungen sind geeignet
für mittlere Drehmomente.
Spannsätze, Spannbuchsen und Schrumpfscheiben
Spannsätze und dünnwandigere Spannbuchsen sind für viele
verschiedene Durchmesser lieferbar und ermöglichen eine
einfache und schnelle Montage auf runden Wellen. Eine Nut ist
nicht erforderlich. Schrumpfscheiben sind spezielle Spannsätze,
die eine dünnwandige Nabe auf die Welle pressen. Spannverbindungen sind geeignet für relativ hohe Drehmomente.
20. Innenzahnkränze
Herstellung: Normalerweise gestoßen.
Verwendung:
• Für ein einstufiges Getriebe. Dabei darf das innen laufende
Zahnrad nicht größer sein als das Stoßwerkzeug bei der Herstellung.
• Für Planetengetriebe und deren Abwandlungen.
• Als Zahnkupplung, zusammen mit einem Zahnrad gleicher Zähnezahl
(bei Einhaltung der Fertigungstoleranzen muss das immer passen
aufgrund der Lage und Toleranz der Zahndicken-Abmaße.
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21. Planetengetriebe
Eine Sonderbauart des Stirnradgetriebes ist das
Planetengetriebe. Es heißt so, weil es in seiner
Arbeitsweise an ein Planetensystem erinnert:
Die Planetenräder kreisen um das Sonnenrad.
Wenn An- und Abtrieb über Sonnenrad und
Hohlrad (=Innenzahnkranz) erfolgen, haben
die Zwischenräder keinen Einfluss auf das
Übersetzungsverhältnis. Allerdings könnten auch
Sonnenrad oder Hohlrad feststehen und An- oder
Abtrieb über den Planetenträger erfolgen.
+
+
+
+
-
Platzsparende Bauweise.
Hohe Übersetzungsverhältnisse.
Hohe Drehmomente.
Koaxiale An- und Abtriebswelle.
Hoher Konstruktionsaufwand.
Hoher Montageaufwand.
22. Zahnstangen
Eine Zahnstange verhält sich wie ein Zahnrad mit
unendlich großem Radius. Ein Zahnstangentrieb wird
zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine Längsbewegung verwendet (oder auch umgekehrt).
Der Antrieb kann wahlweise über das Rad oder über
die Zahnstange erfolgen.
Bei der Zahnstange sind die Zahnflanken plan (nicht
evolventenförmig). Der Neigungswinkel der Flanke
entspricht dem Eingriffswinkel der Verzahnung:
Rechteckige Zahnstangen können aneinandergereiht montiert werden:
Fortlaufende Verzahnung Dabei muss mit Lücke
ausgerichtet und montiert werden. Dies ist mit einem
Gegenstück einfach zu machen. (Katalogartikel ab Modul 2 mit Ausnahme Länge 500mm
und mit Länge 1.000mm sind für fortlaufende Montage
abgelängt).
Anstoßverzahnung wird ohne Lücke montiert.
Dazu müssen an den beiden Enden, die zusammenstoßen sollen, die Zähne abgefräst werden bis
genau zur Mitte der nächsten Zahnlücke (gegen Mehrpreis möglich).
Die Befestigung kann durch Verschraubung erfolgen (Durchgangslöcher oder Gewindelöcher gegen
Mehrpreis) oder bei Stahl durch anschweißen.
Rundzahnstangen werden normalerweise nicht aneinandergereiht. Rundzahnstangen können z.B. in
Gleitlagerbuchsen gelagert werden, um eine Linearbewegung zu ermöglichen.
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23. Wärmebehandlung
Härten
Zweck des Härtens und Vergütens ist, dem Stahl eine Eigenschaftskombination von Härte und
Zähigkeit zu geben. Beim Härten wird der Stahl auf eine für ihn angepasste Temperatur erwärmt und
anschließend in Öl, Wasser oder Luft abgeschreckt.
Anlassen
Unter Anlassen versteht man ein Wiedererwärmen nach dem Abschrecken. Dies geschieht bei
Temperaturen zwischen 150 und 300°C. Durch das Härten werden innere Spannungen erzeugt. Alle
richtig abgeschreckten Teile sind sehr hart. Zum Gebrauch benötigen sie eine gewisse Zähigkeit damit
sie nicht schon durch einfaches Anstoßen zerbrechen. Durch das Anlassen werden diese
Spannungen abgeschwächt, wobei ein geringer Härteverlust die Folge ist.
Vergüten
Das Vergüten ist ebenfalls ein Wiedererwärmen nach dem Härten, jedoch geschieht dies bei
Temperaturen zwischen 450 und 650°C in Abhängigkeit der späteren Verwendung. Durch das
Vergüten sollen Konstruktionsstähle folgende Eigenschaften bekommen: Höhere Streckgrenze d.h.
höhere zulässige Spannung oder eine höhere Zähigkeit. Die Wahl dieser Eigenschaften hängt von der
Höhe der Temperatur ab. Für spezielle Konstruktionen mit diesen erforderlichen Eigenschaften
verwendet man Vergütungsstähle nach DIN 7200.
Aufkohlen (Einsatzhärten)
Zum Einsatzhärten verwendet man kohlenstoffarme Stahlsorten. Der Stahl befindet sich hierbei in
einem Kohlenstoff abgebenden Medium (zumeist Salzbad, Gas oder Pulver). Bei einer Temperatur
von über 900°C diffundiert Kohlenstoff in die Außenseite des Stahls, so dass eine härtbare Schicht
entsteht (je nach Dauer der Aufkohlung bis zu 3mm Tiefe). Nach dem Abschrecken entsteht somit
eine harte, verschleißmindernde Oberfläche und eine hohe Zähigkeit im Kern.
Für spezielle Konstruktionen mit diesen erforderlichen Eigenschaften verwendet man Einsatzstähle
nach DIN 17210.
Nitrieren
In die Stahloberfläche diffundiert während des Glühprozesses bei ca. 400 – 580°C in einem Stickstoff
abgebenden Medium Stickstoff ein. Je nach Art des Nitriermittels wird zwischen Gas , Salzbad Plasma
und Pulvernitrieren unterschieden. Auf Nitrierprozesse sind verschiedene Varianten möglich, welche
den Schichtcharakter bestimmen.
Karbonitrieren
Hierbei tritt eine Aufnahme von Stickstoff und Kohlenstoff ein wobei der Kohlenstoff das dominierende
Medium ist. Die Arbeitstemperatur liegt bei ca. 750°C. Es werden Schichtdicken von ca. 0,2mm
erreicht. Dieses Verfahren wird häufig bei unlegiertem Stahl angewandt.
Nitrokarbonieren
Hierbei tritt eine Aufnahme von Stickstoff und Kohlenstoff ein, wobei der Stickstoff das dominierende
Medium ist. Die Nitrierschicht besteht anschließend aus zwei Zonen. Eine sehr harte Außenschicht ca.
0,02mm und darunter eine noch härtere Schicht von ca. 0,2mm. Dieses Verfahren wird auch häufig
als Nikotieren, Tenifieren, Cyanieren und Pulvernitrieren bezeichnet.
Plasmanitrieren
Hierbei wird das Nitriergas unter Einfluss eines elektrischen Feldes elektrisch leitend. Die in einer
Retorte aufgehängten Werkstücke wirken hierbei als Kathode. Durch Stoßenergie dringen die
entstandenen Stickstoff-Ionen (Plasma) in die Stahloberfläche ein. Das führt zu besten Ergebnissen
bei Dicke, Härte und Homogenität der Nitrierschicht.
Badnitrieren
Das Badnitrieren wird in einer Salzschmelze durchgeführt. Im Salzbad diffundiert der darin enthaltene
Stickstoff in die Werkstückoberfläche ein. Durch die niedrigen Arbeitstemperaturen von ca. 580°C tritt
nur eine sehr geringe Maßänderung auf.
Reingasnitrieren
Durch den Stickstoffspender Ammoniakgas werden Härtetiefen bis 0,4mm erreicht. Der Vorgang ist
nur bei legierten Stahlsorten anwendbar und dauert mehrere Tage.
Vakuumhärten
Dieses Verfahren wird häufig dann angewandt, wenn bei den Werkstücken eine hohe
Oberflächenqualität gefordert wird. Durch das Fehlen von Sauerstoff bleibt die Oberfläche blank. Nach
dem Austenitisieren in Vakuum wird unter starkem Druck Stickstoff durch die Charge geblasen und
durch Kühlkanäle wieder zurückgeführt. In dieser Weise können abkühlkritische Stahlsorten in der
Vakuumretorte selbst gehärtet werden. Man kann auch nach dem Erhitzen im Vakuum die Aktivgase
hinzuführen, die man zum Aufkohlen oder Nitrieren braucht.
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Schutzgashärten
In Spezialöfen mit hitzebeständigen Retorten wird ein Schutzgas eingebracht, das sich neutral
gegenüber dem Stahl verhält und somit die Oberfläche vor Erosion und Verzunderung schützt. Hier
können genauso Gase eingeführt werden, die man zum Aufkohlen oder Nitrieren braucht.
Wirbelbett-Öfen
Bezüglich der Wärmeübertragung sind diese Öfen mit Salzbadöfen vergleichbar, jedoch wird hier das
Medium Aluminium- Oxidpulver eingesetzt, das durch viele kleine Bohrungen im Boden der Retorte
mit Luft durchströmt wird. Das auf die erforderliche Temperatur erhitzte Aluminium-Oxidpulver gerät in
schnelle Bewegung und durchflutet somit das gesamte Werkstück. Bei diesem Verfahren entfällt das
Abspülen von Salzrückständen. Hier können auch Gase durchgeführt werden, die man zum Aufkohlen
oder Karbonitrieren braucht.
Borieren
Dieser thermochemische Prozess ist mit dem Aufkohlen in Kästen verwandt indem mit 900°C in Borid
abgebenden Mitteln geglüht wird. Hierbei entstehen sehr harte Oberflächenschichten mit einer Tiefe
bis zu 0,1mm. Angewandt wird dieses Verfahren bei unlegierten und schwach legierten Stahlsorten.
Altern
Um träge Änderungen in der Feinstruktur zu vermeiden wird der gehärtete Stahl lange Zeit (50-100
Stunden) auf eine Temperatur von ca. 120°C gehalten - mit zwischenzeitlicher Abkühlung in kaltem
Wasser.
Flammenhärten
Hierbei wird die Stahloberfläche mit einem Brenner schnell auf die Härtetemperatur gebracht. Danach
erfolgt ein Abschrecken mit kräftigen Brausen. Die Härtetiefe liegt hierbei zwischen 2 und 10mm. Der
behandelte Stahl sollte genügend Kohlenstoff enthalten. Der Vorteil bei diesem Verfahren liegt unter
anderem darin, dass ein Werkstück auch partiell gehärtet werden kann.
24. Geschichte der Stirnzahnräder
Bei den altägyptischen Göpeln findet man die älteste Form des Zahnrades, ein Holzrad, in dessen
Umfang man Pflöcke hineinstreckte. Die Rolle war bereits bei den Assyrern in Gebrauch und wurde
von den Ägyptern übernommen, die Verbindung dieser Rollen mittels Seil führte zum bekannten
Flaschenzug. Eine direkte Verbindung dieser Rollen wurde bereits 330 v. Chr. von Aristoteles
erwähnt, gesichert ist die Anwendung von Zahnrädern bei Heron von Alexandria, überliefert durch
Vitruv. Ktesibios verwendete um 250 v. Chr. an seiner Wasseruhr einen Stab, der mit Zahnrädchen
besetzt war, ebenso Philon von Byzanz um 230 v. Chr. an zwei Apparaten Zahnräder. Das heute
bedeutendste Artefakt für die Anwendung von Zahnrädern in der Antike ist der Mechanismus von
Antikythera von ca. 100 v. Chr. Seit dem 9. Jahrhundert erfolgte in Europa der Einsatz von
Zahnrädern in Wassermühlen, ab dem 12. Jahrhundert auch in Windmühlen. In Manuskripten
Leonardo Da Vincis finden sich um 1500 Zahnräder in verschiedenen Anwendungen. Georgius
Agricola gab 1556 in seiner Schrift De re metallica libri XII erstmals den Einsatz von Zahnrädern aus
Eisen an. Anfangs wurde wenig auf die geeignete Form der Zähne geachtet. Nach Angaben von
Christiaan Huygens und Gottfried Wilhelm Leibniz empfahl der dänische Astronom Ole Rømer um
1674 die Epi-Zykloïde als Zahnform. Vermutlich war er beim Bau seiner Planetarien, z.B. Jovilabium
an der Pariser Academie des Sciences darauf gekommen. Schriftliche Belege dafür gibt es nicht
mehr. Eine erste gründliche mathematische Untersuchung dieser Zahnräder beschrieb das
Akademiemitglied Philippe de la Hire (1640-1718) um 1694 Traite des epicycloides (erschienen 1730).
Diese epizykloidische Zahnform sichert eine gleichförmige Bewegung der Zahnräder bei gleichmäßiger Gleitreibung. Diese wurden gezielt in Uhrwerken eingebaut. 1759 entwickelte John Smeaton
eine eigene Form, gefolgt von Leonhard Euler, der 1760 die Evolvente für die Zahnform vorschlug. Die
Entwicklung der Dampfmaschine im 18. Jahrhundert führte zu einem steigenden Bedarf an Zahnrädern, da die zu übertragende Leistung kontinuierlich stieg und Zahnräder aus Metall anstatt wie
bisher aus Holz gefertigt werden mussten. 1820 erfand Joseph Woollams die Schrägverzahnung und
Pfeilverzahnung (Doppelschrägverzahnung) (englisches Patent Nr. 4477 vom 20. Juni 1820), James
White baute 1824 daraus ein Differentialgetriebe. 1829 stellte Clavet eine Zahnhobelmaschine her, da
der Werkzeugmaschinenbau ab dem 19. Jahrhundert eine steigende Genauigkeit der Verzahnungen
erforderte. Die erste brauchbare Maschine zum Fräsen geradverzahnter Stirnräder baute 1887 G.
Grant. 1897 entwickelte H. Pfauter daraus eine universale Maschine, mit der sich auch Schneckenund Schraubräder fertigen ließen.
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