Spielfreies Zahnradgetriebe mit Eigenkühlung
Kalte Zähne leben länger
Gute Getriebe haben kein Zahnspiel und übertragen Bewegungen genau und drehwinkelgetreu. Allerdings: Geringes oder kein Zahnspiel ist schwierig einzuhalten. Hier wird eine Möglichkeit gezeigt, Zahnradgetriebe vollständig spielfrei zu gestalten am Beispiel eines einstufigen, gekühlten Stirnradgetriebes.
Aus Wärmedehnung und mikrogeometrischer Verformung eines Getriebes durch Belastung resultiert üblicherweise zwingend Zahnspiel – auch wenn es nur gering ist. Das Konstruktionsbüro Maul entwickelt seit vielen Jahren Getriebe mit spielfreier Verzahnung; damit ließen sich vor allem auch Geräuschprobleme beseitigen. Im Katalog Prinzipien „Spielfreier Zahnradgetriebe“ auf der Website des Unternehmens sind weitere Informationen zu finden. Denn bei sehr schnelllaufenden Getrieben mit umkehrenden Bewegungen erzeugt bereits ein Spiel von einigen hundertstel Millimetern ein schlagartiges Geräusch mit hohem Geräuschpegel. Gestaltet man die Verzahnung spielfrei ohne federnden Ausgleich, so steigen die Temperatur und damit der Druck stark an. Dies führt zum Beispiel bei Kunststoffverzahnungen rasch zum Schmelzen des Zahnradwerkstoffs. Bei Stirnrädern treten unterhalb der Zähne Schmelzblasen aus. Die Temperaturerhöhung steigert den Druck und dieser wiederum die Temperatur – obendrein wird die Achsbelastung extrem. Hier wurden nun Zahnräder mit Übermaß bezüglich der Verzahnung gefertigt und getestet. Außerdem wurde ein federnder, elastischer Ausgleich gestaltet. Eine solche Verzahnung erzeugt wegen der Reibung eine große Verlustleistung, die als Wärme abgeführt werden muss.
Kühlung erfolgt durch Eigendrehung
Das System Zahnradgetriebe lässt sich durch eine Kühleinrichtung außerhalb des Systems aufwendig kühlen. Sinnvoll ist es jedoch, das Zahnradgetriebe durch die Eigen-Drehung des Getriebes zu kühlen. Dies kann in zwei Varianten geschehen: Das Zahnrad wird durch schräge Löcher selbst zum Ventilator ausgebildet, durch welche ein Medium strömt, zum Beispiel Luft, und kühlend wirkt. Diese Variante eignet sich für geringe Drehzahlen und mittlere Vorspannung. Die zweite Variante, eine Zahnrad- und Ventilatorkühlung, empfiehlt sich bei hoher Belastung und hoher Drehzahl. Hierbei ist allerdings die Verlustleistung hoch, sodass die Ventilator-Wirkung noch verstärkt werden muss. Dann kann ein Ventilator-Rad seitlich an einem oder beiden Zahnrädern angebracht werden, welches die Strömung durch die Fliehkraftwirkung an den Lamellen wesentlich erhöht.
Ein solches Getriebe haben die Konstrukteure mit relativ hoher Vorspannung und 3.000 Umdrehungen pro Minute im Trockenlauf (Einmalschmierung bei Inbetriebnahme) gebaut und im Dauerbetrieb getestet. Als Ergebnis zeigte sich – bei richtiger Vorgehensweise und Gestaltung von Zahnradgetriebe und Kühlsystem – eine verhältnismäßig geringe Betriebstemperatur; das Zahnradgetriebe bleibt in diesem Fall lange absolut spiel- und verschleißfrei. Auf diese Weise lassen sich Stirnräder, Schraubenräder, Kegelräder, Schneckenräder und Zahnstangen gestalten. Für jede Verzahnungsform gibt es besondere Gestaltungsmerkmale. Anwendung findet spielfreie Verzahnung überall dort, wo Drehschwingungen oder oszillierende Rückstellmomente vorhanden sind – also überall dort, wo Massen von ungleichmäßig übersetzenden Getrieben in Bewegung gebracht werden, aber auch dort, wo eine genau drehwinkelgetreue Übertragung gefordert wird. Das Konstruktionsbüro Maul hat das System zum Patent angemeldet.
pb
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