DE19748964A1 - Zahnrad - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Zahnrad für eine Zahnradpaarung, wie sie insbesondere bei Getrieben und Übertrieben von Walzenstühlen Anwendung findet. Sie ist insbeson­ dere gerichtet auf Zahnräder von Zahnradpaarungen, deren Zahnräder aus polyme­ ren Werkstoffen bestehen, zumindest jedoch ein Zahnrad einer Zahnradpaarung und die für höchste Belastungen einsetzbar sind.

Zahnräder in Getrieben oder Übertrieben einzusetzen, ist z. B. aus dem Maschinen- und Fahrzeugbau hinlänglich bekannt. Üblicherweise bestehen Zahnräder aus diver­ sen, metallischen Werkstoffen.

Grundsätzlich sind auch Zahnräder und Zahnradpaarungen aus Polymerwerkstoffen als bekannt anzusehen. Sie werden jedoch nur für geringe Beanspruchungen ange­ boten und eingesetzt, wie z. B. für Uhren und ähnlichen Vorrichtungen mit ver­ gleichsweise geringen Momentbelastungen. In den DE-A-31 35 259 und DE-A-31 51 447 sind auch Verbundkonstruktionen von Zahnrädern aus polymeren und metallischen Werkstoffen beschrieben. Gemäß der erstgenannten Schrift wird ein stabförmiges Teil in einer Spritzgußform mit Kunststoff umgossen und nach der an­ deren Schrift besteht der Radkörper aus zwei miteinander lösbar verbundenen Tei­ len aus Metallblech, zwischen denen der Zahnkranz aus einem Polymer mittels hohler Stifte, die durch den Zahnkranz hindurchgehen, befestigt ist.

Des weiteren wurde auch versucht, Zahnräder für höhere Momentbelastungen aus Thermoplasten (z. B. Polyamide) oder modifizierter Keramik herzustellen. Diese sind jedoch nur aufwendig herstellbar (Keramik) und/oder genügen hohen Anforderungen ebenfalls nicht.

Anforderungen wie Verschleißbeständigkeit, Festigkeit und Leistung bzw. allgemein mechanisch-tribologischer Natur können von z. B. Polyamiden bedingt erfüllt werden.

Grundsätzlich ist es auch bekannt, das von metallischen Werkstoffen her bekannte Tempern/Anlassen bei Polyamiden u. a. anzuwenden, um deren Werkstoffeigen­ schaften zu verbessern (Spannungsabbau).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Polymerwerkstoffe für Zahnräder soweit zu verbessern, daß sie zur Übertragung hoher Leistungen bei großer Lebensdauer geeignet sind.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß Zahnräder aus PA (POM) in geeigneter Wei­ se einer weiteren Bearbeitung unterzogen werden. Dies kann ein Tempern sein oder eine Verbesserung des spezifischen tribologischen Systems Zahnflanke/Zahnflanke bzw. eine Anpassung der Zahnflankengeometrie an die spezifischen Einsatzfälle. Damit soll z. B. ein ölfreier Übertrieb bei Maschinen der Lebensmittelindustrie (z. B. Walzenstühle zur Getreidevermahlung) erreicht werden.

D. h. beim Tempern eine neuartige Anwendung durch die doch überraschende Er­ kenntnis, daß sich Kristallinitätsgrad und Molekulargewicht, z. B. von LAURAMID® (Polyamid) offensichtlich soweit verändern lassen, daß entgegen aller Annahmen der Fachwelt, die geforderten Eigenschaften erreicht werden und ein ölfreier Über­ trieb ermöglicht wird. Die erforderlichen bzw. erreichten Parameter berühren das Werkstofflimit, wobei beim Tempern die erreichbare Festigkeitsverbesserung nicht primär ist. Die Ursachen der erreichten Betriebsverbesserungen sind mehrschichtig. Es können Erhöhungen des E-Moduls zugrundeliegen, die zwar eine Erhöhung der Flächenpressung erkennen lassen aber auch eine Verringerung der deformations­ abhängigen Temperaturerhöhung durch günstigere viskose Eigenschaften nach dem Tempern.

Grundsätzlich ist es möglich, derartige Zahnradpaarungen konkurrenzfähig zu Me­ tallzahnrädern oder Zahnriemen u. dgl. Einzusetzen.

Das tribologische Verhalten (Verschleiß und Gleitreibung) beim Abwälzen von Zahnrädern aus Polymeren wird bestimmt durch:

• - den Zustand der Werkstoffe, wie Temperung, Härte, Länge der Molekülketten, Kristallinität u. a.
• - die mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe (E-Modul, Wärmebehandlung, Feuchtigkeitsaufnahme)
• - die chemischen Eigenschaften der Kontaktflächen, wie Adhäsion oder Haftfähig­ keit evtl. Beschichtungen
• - die Oberflächenstruktur (Rauheit, Form, Traganteil)
• - die Geometrie der Zahnflanken
• - den Betriebspunkt (Gleitgeschwindigkeit, Flächenpressung, Temperatur, Feuch­ te)
• - ggf. spezifische Schmierstoffeigenschaften.

Durch die Formgebung werden Stöße reduziert, was zu einem ruhigen Lauf führt und den Verschleiß vermindert.

Durch die Anwendung dessen im Zahnfußbereich erhöht sich die festigkeitsbe­ dingte Lebensdauer.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel an Hand einer Zeich­ nung näher beschrieben. Die Zeichnung zeigt einen Zahneingriff bei mittlerem Achs­ abstand. Durch an sich bekannte Berechnungs- und Fertigungsverfahren wird die Oberfläche von Zahnflanken 2 eines Zahnrades 1 aus PA hinsichtlich Verschleiß- und Reibungsverhalten optimiert. Im weiteren kann dies auch für eine Stahl/Polymerpaarung 1, 4 erfolgen, wobei sich die Struktur der Stahloberfläche der Zahnflanke 2' beim Eingriff mit dem Polymerzahn 3 zeitlich kaum ändert. Die Poly­ meroberfläche paßt sich der Stahloberfläche an.

Mit einer solchen, optimierten Flankengeometrie läßt sich einerseits die Betriebsfe­ stigkeit erhöhen und andererseits der Abwälzvorgang der Zahnflanken 2, 2' verbes­ sern, insbesondere in Anwendungen mit variablem Achsabstand. Dies führt zu ei­ nem ruhigeren Lauf und verringert den Verschleiß.

Bei Walzenstühlen ist die genannte Abstandsvarianz der Achsen durch Spaltver­ stellung und Durchmesserverringerung infolge Überschleifens der Walzen möglich. Derartige Walzenstühle werden nahezu im Dauerbetrieb betrieben und sollen war­ tungsarm sein und eine hohe Lebensdauer ermöglichen.

Der Erfindungsgedanke ist nicht naheliegend, obwohl oder gerade weil Polymer­ zahnradpaarungen an sich bereits Handelsware sind. Umfangreiche Untersuchun­ gen haben jedoch gezeigt, daß gerade solche Handelsware nicht geeignet ist, hohe Anforderungen zu erfüllen.

Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, daß es erforderlich ist, die Kontur der Zahnflanken an den Einsatzfall anzupassen, und daß hierfür spezifische Kontu­ ren abgrenzbar sind.

Ebenso hat sich gezeigt, daß es nicht ausreicht, Zahnflanken 2, 2' in üblicher Weise zu bearbeiten, vielmehr ist eine, dem Anwendungsfall angepaßte und optimierte Oberflächenbehandlung unabdingbar, wie durch Glätten oder Beschichten. Notwen­ dig sind feine Oberflächen der Zahnflanken 2, 2' mit R_a < 0,4 µm mit hohem Tra­ ganteil.

Ggf. kann eine solche Zahnradpaarung mit einer Zahnradkühlung, z. B. nach dem Stand der Technik kombiniert werden.

Claims (5)

1. Zahnrad für eine Zahnradpaarung, die bevorzugt aus zwei Zahnrädern (1, 4) besteht, insbesondere für Getriebe oder Übertriebe von Walzenstühlen u. dgl., wobei Zahnflanken (2, 2') der Zahnräder (1, 4) fein bearbeitet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Geometrie der Zahnflanken (2, 2') so ausgebildet ist, daß ein Abwälzen mit großem Flankenspiel bei etwa unveränderter Überdec­ kung erfolgt.

2. Zahnrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahn­ flanken (2, 2') bezüglich der Spitzen der Oberflächenrauhigkeit geglättet und/oder be­ schichtet sind, um einen hohen Traganteil zu erreichen.

3. Zahnrad nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenrauhigkeit R_a der Zahnflanken (2, 2') kleiner 0,4 µm ist.

4. Zahnrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahnrad (1, 4) aus einem Polymer oder einem Stahl besteht.

5. Zahnrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Polymer ein Polyamid ist.