Stark verbesserte Kunststoffräder

Dass auch die Verzahnungskomponenten oft noch ungeahntes Optimierungspotenzial bieten, belegen die Forschungspartner mit einer optimierten Kunststoff-Verzahnung, der Low-loss-Verzahnung. Vorteile von Verzahnungen aus Kunststoff sind die geringeren Massen bzw. Trägheiten und die wirtschaftlichere Fertigung. Außerdem besteht die Möglichkeit der Anwendung im Trockenlauf. Dadurch sind Kunststoffverzahnungen sehr gut geeignet für Anforderungen in der Medizintechnik, der Lebensmittel- Pharma- und Papierindustrie. In Leistungsgetrieben findet heutzutage nahezu ausschließlich die Werkstoffpaarung Kunststoff-Stahl Verwendung. Die Paarung Kunststoff-Kunststoff würde leicht überhitzen, weil in diesem Anwendungsfall keines der beiden Zahnräder über adäquate Wärmeleiteigenschaften verfügt. Im Regelfall wird das höher belastete, kleinere Ritzel aus Stahl und das größere Rad aus Kunststoff gefertigt.

Die bei Zahnrädern auftretende Verlustleistung sowie die geringe Wärmeleitfähigkeit begrenzt jedoch die Leistungsübertragung aufgrund des thermischen Versagens der Verzahnungen durch Anschmelzen des Kunststoffes. Die Verlustleistung steht somit in unmittelbarem Zusammenhang zur Erwärmung. Die auftretenden Verluste werden in lastabhängige und lastunabhängige Verluste unterteilt. Lastunabhängige Verluste entstehen, ohne dass Leistung übertragen wird (Planschverluste). Diese Leerlaufverluste werden durch die Verzahnungsgeometrie nur geringfügig beeinflusst. Die maßgebliche Bedeutung kommt deshalb den lastabhängigen Verzahnungsverlusten zu. SPN-Projektleiter Stefan Ohmüller definiert das Ziel: „Für die Ertüchtigung der Werkstoffkombination Stahl/Kunststoff muss eine Verzahnungsgeometrie mit verringerter Verlustleistung entwickelt werden. Grundidee ist, den Zahneingriff um den Wälzpunkt zu konzentrieren und damit die Gleitanteile zu verringern" In der Theorie zeichnet sich die verlustoptimierte Verzahnung durch deutlich größeren Eingriffswinkel, verkürzte Verzahnung und Schrägverzahnung aus.

Für die Versuche stellte Handtmann Elteka den Hightech-Kunststoff Lauramid zur Verfügung, aus dem SPN die Zahnräder herstellte. Bei äquivalenter Tragfähigkeit zeigte die Low-loss-Auslegung laut Stefan Ohmüller in den Vorversuchen bei T2=30 Nm und vt= 4m/s eine Verlustreduzierung um fast zwei Drittel (60%) gegenüber der konventionellen Verzahnungsauslegung. Gleichzeitig war es bei gleichem Drehmoment möglich, bei der Low-loss Verzahnung die Drehzahl auf das Doppelte gegenüber der Standardverzahnung zu steigern, ehe die Verzahnungen thermisch durch Aufschmelzen ausfielen. Das zeigte das Potenzial für die Erweiterung des möglichen Einsatzbereiches von Kunststoffzahnrädern für schnell laufende Getriebe auf - unter Beachtung der Erwärmungsgrenzen.

Drei Verzahnungsvarianten wurden untersucht: Zu Vergleichszwecken wurde die FZG-Standardverzahnung C20 (geradverzahntes Evolventenprofil) verwendet, die mit den beiden schrägverzahnten Low-loss-Profilen LL40 und LL30 verglichen wurde. Letztere wurde als „gemäßigte" Verzahnungsgeometrie in die Versuchsreihe mit aufgenommen. Die Versuche der Referenzverzahnung C20 sind mittlerweile weitestgehend abgeschlossen. Derzeit werden Versuche mit den verlustoptimierten Prüfverzahnungen durchgeführt und anschließend bewertet. „Ziel bis zum Projektende 2012 ist es, auch noch eine Berechnungsmöglichkeit für verlustoptimierte Zahnradgeometrien zu entwickeln", so Stefan Ohmüller.