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Schraubrad: Theorie und Praxis

Schraubradpaare zeichnen sich durch einen beliebigen
Achsenkreuzungswinkel aus. Hier im Bild beträgt dieser 40°.

Grundlegend

Es werden zunehmend in Schneckengetrieben Stahlschnecken mit Rädern aus Kunststoff gepaart. Dafür ist es notwendig, den Zahn an der Schnecke möglichst dünn zu gestalten um den Kunststoffzahn zu verdicken, damit dieser eine bessere Tragfähigkeit bietet. Diesen Effekt erzielt man bei Stirnradpaaren durch den Einfluß des Faktor x (Profilverschiebung). In der Fertigung bedeutet dies, die Profilbezugsebene des Werkzeuges ungleich des Teilungskreises des Zahnrades einzustellen. Bewegt sich die Ebene zur Zahnradachse hin, ergibt sich eine negative Profilverschiebung (z.B. Faktor x1 = -0,5), bewegt sie sich von der Achse weg, entsteht ein positiver Faktor x - Wert. Dieser Effekt resultiert aus der Kinematik zwischen Fräser und rotatorischer Bewegung des Zahnrads. Betrachtet man eine Zahnstange, so entfällt der rotatorische Anteil der Kinematik bei der Fertigung und das Prinzip der Profilverschiebung funktioniert nicht. Die DIN 3975 setzt Schneckenprofil einer Zahnstange gleich, womit Variationen über den Faktor x nicht mehr berechenbar sind.

Schraubradgetriebe

Schraubradgetriebe sind in ihrer Art zwischen Stirnrad- und Schneckenradgetrieben zu sehen. Flexibelstes Merkmal ist ein beliebiger Achsenkreuzungswinkel zwischen 0° und 90°. Der Achsenkreuzungswinkel von 90° bei einem Schraubradgetriebe bringt eine Bewegungsübertragung wie ein Schneckengetriebe, läßt aber Profilverschiebungen zu, wie bei 0° (Stirnradpaarung) üblich. Darin liegt der erste Vorteil der Schraubradtheorie: Verwende das Beste beider Welten. Die Profilverschiebung ermöglicht die Paarung eines dünnen Zahnes an der "Schnecke" und eines dicken am Rad. So ist der rechnerische Einsatz von Stahl- Kunststoff- Schneckenradsätzen ganz einfach beherrschbar.

Schraubräder in der Praxis

Aber damit sind die Möglichkeiten längst nicht ausgeschöpft. Bei elektrischen Pkw-Sitzverstellungen erwartet man heute perfekte Funktion gepaart mit optimalem Sitzkomfort sowie gleichzeitig gefälliger Optik. Anders gesagt, die Technik der Sitzverstellung muß auf engstem Raum untergebracht werden. Mittlerweile geht man dazu über, den Achsenkreuzungswinkel der üblicherweise eingesetzten Schneckengetriebe geringfügig ungleich 90° auszulegen. Kompliziertere Berechnung, aber guter Effekt. Wer diese Art der Berechnung beherrscht, ist nebenbei gleich in der Lage, einen spiegelbildlichen Antrieb zu bauen, der bei gleichem Motor und gleicher Schnecke nur ein unterschiedliches Schneckenrad erfordert. So erreicht man neben der besseren technischen auch eine wirtschaftlichere Lösung aufgrund geringerer Bauteilanzahl; verglichen mit herkömmlichen Schneckenradsätzen.

Es sei ein zweites Beispiel genannt: In Großserien mit Kunststoffgetrieben vermeidet man häufig Schrägverzahnungen, weil das Spritzgießen geradverzahnter Räder besser beherrschbar ist. Der Einsatz von Schneckengetrieben in diesem Fall hat gleich zwei Schrägverzahnungen (Schnecke und Rad), was die Fertigung kompliziert und somit verteuert. Der flexible Achsenkreuzungswinkel der Schraubradberechnung bietet hier die Möglichkeit, eine zwangsläufig schrägverzahnte Schnecke mit einem geradverzahnten Stirnrad zu paaren. Die Variable "Achsenkreuzungswinkel" stellt hier folglich einen gewichtigen Produktionsfaktor dar.

Konkretes Beispiel einer Optimierung

Die Zentrifuge einer Molkereimaschine wird mit 37kW bei 1500 min-1 ins Schnelle übersetzt. Die Entwickler haben ein Schneckengetriebe eingebaut. Im Betrieb stellte sich zunächst eine gute grundsätzliche Funktionalität heraus. Jedoch war nach zwei Wochen Einsatz in der Produktion das Getriebe zerstört. Untersuchungen von Schmierung, Fertigungstoleranzen und eingesetzten Werkstoffen ergaben keine Lösung des Problems. Mehr als ca. zwei Wochen Lebensdauer wurden nicht erreicht. Die Problematik lag in einer fehlerhaften Verzahnungsgeometrie. Alternativ zu Varianten des herkömmlichen Schneckengetriebes, wurde die Situation auf Basis der Schraubradtheorie betrachtet. Die Analyse des spezifischen Gleitens (Diagramm Zeta) ermöglichte schnell den Schluß, daß das als optimal anzusehende Aufeinander-Abwälzen der Zahnflanken nicht gegeben war. Dies hatte in Verbindung mit der hohen zu übertragenden Leistung fatale Folgen. Ziel der Optimierung mußte sein, das spezifische Gleiten zu verringern. Dafür wurden die Werte von Modul und Achsabstand, sowie das Bezugsprofil modifiziert. Das Ergebnis war ein ruhig laufendes Getriebe mit mehreren tausend Stunden Lebensdauer. Die Effektivität dieser Optimierung beruht zu einem gewissen Anteil auf exzellentem Fachwissen. Unerläßlich aber waren die zuverlässige Analyse der Software StarGear im Bereich der bestehenden Verzahnung sowie die exakte Ermittlung der praxisgerechten Werte für Zahn und Werkzeug. Die Werkzeugprofilableitung erfolgt in StarGear auf analytischem Weg (kein Kurvenhüllschnittverfahren).