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Verzahnungen aus Kunststoff

In unzähligen Geräten werden heute Verzahnungen aus Kunststoff eingesetzt. Die Vorteile liegen
klar auf der Hand:

- geringes Gewicht
- keine Abhängigkeit vom Profil des Wälzfräser
- geräuscharm
- schmierungsfreie Situationen häufig möglich
- kostengünstige Serienherstellung im Spritzgießverfahren
- korrosionsbeständig
- nicht elektrisch leitend

Die Liste kann beliebig weitergeführt werden, klar ist aber mit diesen Argumenten bereits folgendes:
Die Vielzahl der allgemeinen Vorzüge sollten in den konkreten Anwendungsfällen nicht unbeachtet bleiben,
wenn´s leicht, wartungsarm und kostengünstig in der Massenfertigung sein soll.

Gegenüber den herkömmlichen Werkstoffen müssen auch einige Faktoren besonders beachtet werden:

Beispiel

In einer Verzahnung soll untersucht werden, ob eine bestehende Übersetzung zweier Stahl -
Zahnräder alternativ mit PA ausgelegt werden könnte. Diese Überlegung resultiert in der Praxis
häufig aus wirtschaftlichen Gründen. Aus technologischer Sicht ist der Einsatz von Kunststoffen
zum Beispiel für die Geräuschminderung, den schmierungsfreien Betrieb und auch zur
Gewichtsersparnis indiziert.

Der Einfluß der Temperatur

Die zu untersuchende Paarung hat recht hohe Leistung bei einem Modul von mn= 1mm zu übertragen.
Die Leistung und die Geometrie sind somit zu großen Teilen festgelegt. Variabel sind Werkstoff und
Schmiersituation.
Zur Bestimmung der Tragfähigkeit der PA-Paarung, ist die Erwärmung des Zahnes, besonders der
Zahnflanke, das ausschlaggebende Kriterium. Der E-Modul von PA ist unter ca. 800N/mm² und damit
oberhalb von ca. 70°C in der Praxis ungebräuchlich. Das Ziel muß also sein, diese Temperaturgrenze
möglichst weit zu unterschreiten.
Im Beispiel hier ist eine reine PA-Verzahnung nicht möglich, da die Zahnflankentemperatur am Rad 2
selbst bei Dauerschmierung oberhalb von 90°C liegt.
Eine PA-Stahl-Kombination stellt eine mögliche Variante dar, die Zahnflankentemperatur am Rad 1 mit
52°C ist einsetzbar. Jetzt kann im Anschluß eine aussagekräftige Lebensdauerberechnung (z.B. nach
Niemann/Winter) vorgenommen werden.
Für StarGear können neben dem Modul zur Temperaturermittlung als Erweiterung der Tragfähigkeits-
berechnung auch Werkstoffdaten diverser Kunststoffe zur Verfügung gestellt werden.

Humidity

Zusätzlich zum Temperaturverhalten ist die Humidity und damit die Wasseraufnahme bei Kunststoffen
besonders zu beachten.
Die Auswirkungen auf den E-Modul veranschaulicht das folgende Diagramm. Hinzu kommt die Ausdehnung
des Werkstoffes mit zunehmendem Wassergehalt. Grundsätzlich sind daher die Toleranzfelder einer
Kunststoffverzahnung nicht so eng auszulegen wie bei Metallen.


Diagramm E-Modul - Temperatur eines PA-Werkstoffes.
Kurve 1 mit 9,0% Wasser, Kurve 2 mit 3,18% Wasser
und Kurve 3 mit 0,4% Wasser.

Kunststoffe bei Schneckengetrieben:

Bei einer Stirnradpaarung mit Kombination von Stahl und Kunststoff (z.B. PA, POM) sind die
bekannten Rechenansätze geeignet, durch Profilverschiebung unterschiedliche Zahndicken zu
erhalten.

Dargestellt ist ein profilverschobenes Schneckengetriebe
mit PA/Stahl-Kombination. Darstellung mit mittlerem Flankenspiel
gemäß der Toleranzrechnung.

Bei Schneckenradsätzen könnte oftmals das teure Bronzerad durch deutlich kostengünstigere
Kunststoffe ersetzt werden, jedoch sieht die DIN eine Profilverschiebung bei Schnecken nicht vor.
Mit StarGear lassen sich ein- und mehrgängige Schnecken profilverschieben.
Diese Möglichkeit erweitert einerseits das konstruktive Spektrum erheblich und außerdem
lassen sich deutlich günstigere Getriebe fertigen.