Zahnradherstellung 101: Ein Leitfaden zu den Zahnradproduktionsprozessen

Das Konzept der Zahnräder gibt es schon seit einiger Zeit, da sie zu den ältesten mechanischen Komponenten gehören, die auch heute noch relevant sind. Sei es die Automobilindustrie, die Luft- und Raumfahrtindustrie, alle Industriemaschinen oder etwas Einfaches wie eine Uhr. Zahnräder werden überall benötigt und vielleicht möchten Sie etwas über die Herstellung von Zahnrädern lernen.

Die Frage ist also, wie Zahnräder hergestellt werden.

Vorwort: Getriebeherstellungsprozess

Es gibt keinen einheitlichen Prozess für die Getriebeherstellung, da je nach Typ und Anwendung unterschiedliche Prozesse erforderlich sind.

Im Allgemeinen arbeiten Getriebe unter sehr anspruchsvollen Bedingungen, da für die Kraftübertragung (der eigentliche Zweck des Getriebes) mehrere Anforderungen gelten. Erstens müssen die Zahnräder in absolut einwandfreiem Zustand sein. Dann müssen sie immer zuverlässig sein, minimale Eigenspannungen aufweisen und eine geringe bis gar keine Chance auf Rissausbreitung haben. 

Natürlich sind alle diese Anforderungen äußerst schwer zu erfüllen. Allerdings kann niemand ihre Bedeutung leugnen. Deshalb ist die Zahnradfertigung ein hochspezialisiertes Gebiet mit begrenzten Toleranzen und Fehlermöglichkeiten.

Dieser Artikel führt Sie zurück zu den Grundlagen der Zahnradherstellung und betrifft die gängigen Materialien für Industriezahnräder, die Prozesse zur Herstellung von Zahnrädern und wie Zahnräder dieser Belastung standhalten können, ohne auszufallen.

Gängige Getriebetypen und ihre Anwendungen

Bevor wir uns näher mit den Verzahnungs- und Fertigungsverfahren befassen, ist es wichtig, einen Blick auf die Grundlagen zu werfen. Sie sind verschiedene Arten von Zahnrädern und deren Anwendung und Vorteile.

Ihre Anwendung, Leistungsparameter und zahlreiche andere Faktoren spielen eine wichtige Rolle bei der Art der von Ihnen verwendeten Getriebe. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, den Zahnradtyp zu charakterisieren, aber die beste und relevanteste aus Sicht der Zahnradherstellung ist das Zahnprofil.

Hier sind die 5 Arten von Zahnrädern, denen Sie begegnen werden.

Stirnräder

Zeichnen Sie ein ungefähres Bild davon, wie die Ausrüstung in Ihrem Kopf aussieht. Die Wahrscheinlichkeit ist groß, dass Sie an ein Zahnrad mit geraden Zähnen denken. Genau so sieht ein Stirnradgetriebe aus.

Das Stirnradgetriebe ist die am weitesten verbreitete Getriebeart und findet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in Kraftwerken, Luft- und Raumfahrtkomponenten, Industriemaschinen und vieles mehr. Gerade Zähne sind am einfachsten herzustellen und halten hohen Geschwindigkeiten und hohen Belastungen stand. Allerdings erzeugen sie viel Lärm und sind nicht für Anwendungen geeignet, bei denen es auf einen reibungslosen Betrieb ankommt.

Darüber hinaus können Stirnräder mit anderen Zahnrädern des gleichen Typs und Innen-/Außenzahnrädern kombiniert werden. Stirnräder finden Sie in vielen Getriebemechanismen, wie z. B. einem einfachen Zahnstangen-Ritzel-System oder einem Planetengetriebe.

Ihre Einfachheit bedeutet, dass es für Sie einfacher zuzubereiten ist. Daher fällt es Ihnen leichter, die Präzision bei der Zahnradproduktion aufrechtzuerhalten. Stirnräder weisen außerdem nur eine geringe bis gar keine Axiallast auf und sind daher für einen Getriebezug, bei dem mechanische Verluste minimiert werden sollen, recht effizient.

Schrägverzahnung

Schrägverzahnungen ähneln Stirnrädern, verfügen jedoch über Zähne, die um einen zylindrischen Körper gedreht sind. Diese Qualität ermöglicht es ihnen, problemlos mit parallelen und nicht parallelen Wellen zu arbeiten. Ihre Paarung funktioniert jedoch nur mit anderen Schrägverzahnungen mit dem gleichen Schrägungswinkel (dem Verdrehungswinkel des ursprünglichen Zylinders).

Die meisten Anwendungen von Schrägverzahnungen sind die gleichen wie die von Stirnrädern. Die abgewinkelten Zähne tragen jedoch wesentlich dazu bei, die Stoßbelastung zu reduzieren und die Arbeitsgänge reibungsloser zu gestalten. Das bedeutet auch weniger Lärm, allerdings auf Kosten der Effizienz. Im Vergleich zu Stirnrädern hat ein Schrägradgetriebe mehr Verluste und erfordert aufgrund der Form auch Axiallager.

Aus fertigungstechnischer Sicht sind Schrägverzahnungen härter als Stirnräder. Die Spiralwinkel sind mit einem geringen akzeptablen Toleranzbereich ziemlich schwer zu reproduzieren. Darüber hinaus sind sie aufgrund der Herstellungskosten und der anschließenden Hinzufügung weiterer axialer Elemente für begrenzte Einsätze geeignet.

Kegelräder

Kegelräder sind keine Standard-Stirnradräder. Sie verfügen über eine konische Oberfläche, die es Ihnen ermöglicht, die Richtung der Übertragung auf sich kreuzenden Wellen zu ändern. Im Allgemeinen arbeiten Kegelräder mit 90⁰ Winkel. Sie können sie jedoch auch in anderen Konfigurationen verwenden.

Hier sind einige gängige Arten von Kegelrädern, die Sie in einer Vielzahl von Anwendungen finden können.

• Gerade Kegelräder
• Spiralkegelräder
• Gehrungsräder
• Kronenräder
• Hypoid Zahnräder

Schneckengetriebe

Das Schneckengetriebesystem ist eine Kombination aus zwei Komponenten. Ein Schneckenrad und ein schraubenförmiges Zahnrad. Sie werden vorwiegend in der Luft- und Raumfahrt, in Industriemaschinen, in Aufzügen und in der Automobillenkung eingesetzt.

Das Schneckenrad-Setup bietet weder viel Geschwindigkeit noch Effizienz. Es bietet jedoch eine einzigartige Eigenschaft, die für selbstsichernde Mechanismen erforderlich ist. In vielen Fällen kann die Schnecke das Rad drehen, umgekehrt ist dies aufgrund der Zahnradwinkel jedoch nicht möglich. Darüber hinaus ist es wichtig zu beachten, dass Schneckenradgetriebe viel Reibung aufweisen und möglicherweise eine kontinuierliche Reibung erfordern, um ordnungsgemäß zu funktionieren.

Zahnstange und Ritzel

Das Zahnstangen-Ritzel-System ist eine weitere Kombination, die hauptsächlich dazu dient, Drehbewegungen in lineare Bewegungen und umgekehrt zu übertragen. Die Zahnradzähne können sowohl mit Stirn- als auch mit Schrägverzahnungen kombiniert werden, sodass Sie sowohl auf parallelen Achsen als auch in einem Winkel arbeiten können. Einige der häufigsten Anwendungen dieses Systems sind Automobilsysteme, Waagen und andere ähnliche Systeme.  

Materialien zur Herstellung von Zahnrädern

Beim Getriebe gibt es keine Materialbeschränkung. Die frühesten waren aus Holz, und in der gesamten Branche findet man Zahnräder aus verschiedenen Materialien. Von großen industriellen Zahnrädern aus Stahl oder Eisen bis hin zu kleinen Kunststoffzahnrädern in Spielzeugen. Die Materialkombinationen sind endlos.

Dennoch werden die folgenden Elemente bei der Herstellung und Umformung von Zahnrädern am häufigsten verwendet:

• Gusseisen: Langlebig, kostengünstig, gute Verschleißfestigkeit. Geeignet für Anwendungen mit niedriger bis mittlerer Geschwindigkeit.
• Stahl: Hohe Festigkeit, hervorragende Verschleißfestigkeit, hohe Belastungen und Geschwindigkeiten verkraftbar. Wird häufig in anspruchsvollen Anwendungen wie der Automobil- und Luftfahrtindustrie verwendet.
• Bronze: Gute Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, wird häufig im Schiffs- und Hochtemperaturbereich verwendet.
• Kunststoffe: Leicht, kostengünstig, für Anwendungen mit geringer Belastung und niedriger Geschwindigkeit geeignet und häufig in Verbraucherprodukten verwendet.

Für Zahnräder gelten sehr spezifische Kriterien für die Materialauswahl. Je nach Anwendung sollte das Material, das Sie wählen, über die entsprechende Zugfestigkeit und Haltbarkeit verfügen.

Darüber hinaus ist der Reibungskoeffizient ein weiterer Faktor, da Zahnräder ständigen Kontakt benötigen. Schließlich sollten Sie auch Materialien auswählen, die sich leicht verarbeiten lassen. Ein starkes Material mit geringer Herstellbarkeit wird schwieriger zu handhaben sein, da die Herstellung von Zahnrädern extreme Präzision und Genauigkeit erfordert.

Die oben genannten Materialien verfügen über die perfekte Balance dieser Eigenschaften für ihre Anwendungen. Aus diesem Grund werden Sie sie in den meisten Gängen sehen, die Ihnen begegnen.

Die Amerikanischer Verband der Getriebehersteller (AGMA) bietet Normen und Richtlinien für die Auswahl von Zahnradmaterialien.

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Gängige Herstellungsprozesse für Zahnräder

Die Herstellung von Zahnrädern ist aufgrund der erforderlichen Präzision recht kompliziert. Heute ist die Zahnradherstellung eine eigene Branche, die von der Herstellung des Rohlings bis zur Endbearbeitung des Produkts auf mehrere Prozesse angewiesen ist, sowohl traditionelle als auch moderne, um das richtige Gleichgewicht zwischen Kosten, Qualität und Betrieb zu gewährleisten.

Hier finden Sie eine Liste gängiger Verzahnungs- und Herstellungsverfahren mit ihren offensichtlichen Vor- und Nachteilen.

1 – Casting

Beim Gießen handelt es sich um einen einfacheren Prozess, der vorwiegend zur Herstellung von Rohlingen oder Zylindern für Zahnräder verwendet wird, während die Zähne durch spanende Bearbeitung hergestellt werden. Aufgrund seiner Massenproduktionsfähigkeit und relativen Einfachheit ist es jedoch für viele Anwendungen ein praktikabler Prozess zur Herstellung von Zahnrädern.

Es gibt jedoch einen Bereich, in dem das Gießen die am meisten bevorzugte Fertigungsmethode in der Branche ist. Das ist die Herstellung sehr großer Zahnräder. Bearbeitungsverfahren und andere Verzahnungsmethoden sind bei großen Durchmessern nicht sinnvoll. Im Allgemeinen handelt es sich bei größeren Zahnrädern fast immer um Stirnradgetriebe. Aufgrund ihrer relativen Einfachheit ist das Gießen eine sehr gute Option.

Zu den gebräuchlichsten Gussverfahren zählen der Schalenguss, DruckgussSandguss und Kokillenguss werden am häufigsten für die Zahnradherstellung eingesetzt. Andere Methoden sind in einigen Anwendungen nur begrenzt einsetzbar. Die oben genannten sind jedoch in der Branche am häufigsten anzutreffen.

2 – Schmieden

Hierbei handelt es sich um einen weiteren Umformprozess, mit dem Sie je nach Ihren Anforderungen sowohl Rohlinge als auch vorbereitete Zahnräder erhalten können. Schmieden ist durchaus sinnvoll, wenn es sich um relativ einfache Zahnräder handelt.

Theoretisch ist das Schmieden aus einem einfachen Grund ein hervorragendes Zahnradherstellungsverfahren für Hochleistungsanwendungen. Das Schmieden erfordert eine Wärmebehandlung, was bedeutet, dass das resultierende Zahnrad bessere Ermüdungseigenschaften aufweist. Allerdings begrenzt die enorme Kraft, die für den Schmiedeprozess erforderlich ist, die Größe und Dünnheit dieses Prozesses.  

Im Allgemeinen eignet sich das Schmieden gut für Zahnräder mit einem Durchmesser von 6 bis 10 Fuß. Abhängig von der Art des Schmiedens, zum Beispiel Präzisionsschmieden, müssen Sie die Zahnräder am Ende möglicherweise nicht bearbeiten.

3 – Extrusion und Kaltziehen

Dies ist ein weiterer Prozess zur Zahnradbildung, der sowohl vielseitig als auch einfacher ist. Tatsächlich ist beim Extrudieren der Werkzeugaufwand geringer, das heißt aber nicht, dass es das wirtschaftlichste Verfahren ist.

Beim Extrudieren handelt es sich, wie der Name schon sagt, um den Prozess, bei dem ein erhitztes Metallprofil durch eine kleinere, vorgegebene Form geführt wird. Als Ergebnis erhalten Sie einen Stab in der gewünschten Form mit einer gehärteten und glatten Außenfläche.

Der Kaltziehprozess ist dem Extrudieren sehr ähnlich. Es gibt zwei Unterschiede. Beim Extrudieren wird der Rohling durch eine Matrize gedrückt und beim Ziehen gezogen. Der andere Unterschied ist die Temperatur. Beim Kaltziehen wird der Knüppel nicht erhitzt. Dadurch werden die mechanischen Eigenschaften auf Kosten der Kosten erhöht.  

4 – Pulvermetallurgie

Die Pulvermetallurgie ist ein fortschrittliches Verfahren, das in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht hat. Heutzutage wird es für zahlreiche Herstellungsprozesse verwendet, darunter auch für die Zahnradproduktion. 

Wie funktioniert also die Pulvermetallurgie? Von der Perspektive her ist es ganz einfach. Es sind jedoch viele Feinheiten damit verbunden.

Alles beginnt mit Metallpulver. Der erste Schritt besteht darin, das gesamte Pulver einzunehmen und ihm die gewünschte endgültige Form zu geben. Sobald Sie fertig sind, stellt der nächste Schritt sicher, dass der gesamte Aufbau recht kompakt ist, da dies zu besseren mechanischen Eigenschaften führt. Erhitzen Sie den gesamten Aufbau vorsichtig und fertig.

Die Pulvermetallurgie ist äußerst effizient, einfach und für große Mengen realisierbar. Sie müssen sich um keine Nachbearbeitung kümmern und das Produkt ist gebrauchsfertig. Allerdings können die resultierenden Zahnräder nicht allzu viel Last tragen und es gibt auch Größenbeschränkungen.

Darüber hinaus sind die Anschaffungskosten für jede Pulvermetallurgieanlage recht hoch, was sie für die Produktion kleiner Stückzahlen unrentabel macht.  

5 – Ausblenden

Das Stanzen ist ein dem Extrudieren sehr ähnlicher Prozess, verfügt jedoch nur über begrenzte dreidimensionale Möglichkeiten. Bei diesem Zahnradformungsprozess wird Blech mithilfe mehrerer Matrizen in die gewünschte Form gebracht. Mit dem Stanzverfahren können Sie verschiedene Arten von Zahnrädern herstellen. Die besten Ergebnisse erzielen Sie jedoch mit Stirnrädern.

Heutzutage wird der Stanzprozess der Zahnradproduktion in zahlreichen Branchen für Leichtbauanwendungen eingesetzt. Zum Beispiel Bürogeräte, Hydraulik, kleine medizinische Geräte und andere Anwendungen mit geringen Lastanforderungen.  

6 – Zahnradbearbeitung

Die maschinelle Bearbeitung gehört aufgrund ihrer Vielseitigkeit zu den gebräuchlichsten Verfahren zur Herstellung von Zahnrädern. Die traditionelle maschinelle Bearbeitung war für das Schneiden und Herstellen von Verzahnungen weit verbreitet, aber die Fortschritte von CNC-Bearbeitung haben seine Popularität vorangetrieben.

Die folgenden vier Verzahnungsmethoden sind branchenweit am weitesten verbreitet.  

Wälzfräsen

Beim Wälzfräsen wird eine konische Schneidvorrichtung namens Wälzfräser verwendet. Sowohl der Wälzfräser als auch das Werkstück drehen sich, wenn sich der Wälzfräser um den Zahnradrohling dreht. Bisher sind Außenstirnräder und Schrägverzahnungen die einzigen Produkte, die Sie durch Wälzfräsen herstellen können.

Der Prozess ist sehr vielseitig und schnell. Sie können Ihre Produktionsraten auch erhöhen, indem Sie mehrere Stapel gleichzeitig verarbeiten. Es erfordert jedoch mehr Geschick und Präzision.

Stoßen

Beim Formen handelt es sich um einen fortschrittlichen Verzahnungs- und Herstellungsprozess, der Zahnräder entwickelt, mit denen Wälzfräsen nicht umgehen kann. Der Fräser kann jede beliebige Form haben, z. B. eine Ritzelform, eine Zahnstangenform oder eine Einspitzform. Es sieht Zahnrädern sehr ähnlich und funktioniert, indem man den Rohling in der gewünschten Form schneidet. Mit dem Umformverfahren können Sie Innen- oder Clusterverzahnungen herstellen.   

Anstich

Räumen ist vielleicht die schnellste Methode zum Formschneiden von Zahnrädern. Es basiert auf einem Mehrzahnwerkzeug mit eingebetteten Schneiden, die tiefer gehen als beim Vorgänger. Dies führt zu kleineren, inkrementellen Schnitten, die einfacher durchzuführen sind und Ihnen schnell die gewünschte Form geben, ohne die Präzision zu beeinträchtigen.

Dieses Herstellungsverfahren für Zahnräder ist typisch für Innenverzahnungen, Sie können es jedoch auch für die Herstellung von Außenverzahnungen verwenden. Dafür benötigen Sie ein spezielles Werkzeug zum Topfräumen, mit dem Sie die gleiche Präzision und Effizienz erzielen können.

Fräsen

Dies ist eine grundlegende Zahnradschneidemethode, bei der Sie nacheinander einzelne Zahnräder herstellen. Sie ist jedoch recht vielseitig, insbesondere wenn Sie eine CNC-Fräsmaschine verwenden. Obwohl Sie mit einer Fräsmaschine jede Art von Zahnrad herstellen können, lässt die Präzision dieser Methode viel zu wünschen übrig. Aus diesem Grund ist das Fräsen nicht mehr so ​​verbreitet wie früher.

Allerdings haben die jüngsten Entwicklungen im CNC-Bereich und bei der Mehrachsentechnik einiges verändert. Die Zahnradfertigung auf Fräsmaschinen wird immer häufiger eingesetzt. Mit der Zeit wird es also noch besser.   

Nachbearbeitung der Zahnradherstellung

Abhängig von der von Ihnen verwendeten Zahnradherstellungsmethode müssen Ihre Zahnräder noch etwas nachbearbeitet werden, bevor sie zu 100 % fertig sind. Diese Nachbearbeitung kann reichen von Wärmebehandlung für verbesserte Ermüdungseigenschaften bis hin zur Maßkorrektur und Oberflächenveredelung.

Hier sind die fünf gängigsten Fertigungstechniken für Zahnradoberflächen.

• Mahlen: Wie der Name schon sagt, handelt es sich beim Schleifen um ein gängiges Verfahren zur Oberflächenbearbeitung, das für eine glatte Oberfläche auf der gesamten Oberfläche sorgt. Sie können es intermittierend oder kontinuierlich durchführen und es hat keinen Einfluss auf die Ergebnisse.
• Läppen: Dieses Verfahren eignet sich für empfindliche Zahnräder, bei denen höchste Präzision erforderlich ist. Beim Läppen werden kleine Schleifpartikel verwendet, um eine Oberfläche bei niedrigen oder mittleren Geschwindigkeiten zu glätten.
• Schatz: Dies ist ein weiterer gängiger Prozess, der die Oberfläche poliert und glatt macht. Darüber hinaus können Sie auch einige kleinere Fehler in Ihrer Zahngeometrie korrigieren.
• Rasieren: Bei diesem Verfahren werden extrem dünne Schichten von der Oberfläche entfernt, um ein glattes Profil zu erzielen. Das Schaben ist in der Regel teuer und wird daher bei der Zahnradherstellung selten eingesetzt.
• Brünieren: Beim Brünieren handelt es sich im Wesentlichen um den Prozess, bei dem die Oberfläche durch Kompression geglättet wird.

Auswahl des richtigen Zahnradherstellungsprozesses

Das optimale Vorgehen beruht auf verschiedenen Elementen:

• Getriebetyp und -größe: Das Gießen eignet sich für große Zahnräder, während die maschinelle Bearbeitung für viele Größen und Varianten flexibler ist und auch Spezialverfahren wie die Herstellung von Hohlrädern und Kegelrädern umfasst.
• Material: Manche Materialien eignen sich besser für bestimmte Verfahren.
• Erforderliche Präzision und Toleranz: Im Allgemeinen ist durch die spanende Bearbeitung eine höhere Präzision möglich als durch Gießen oder Pulvermetallurgie.
• Produktionsvolumen: Bei der Produktion großer Stückzahlen kommen häufig Techniken wie die Pulvermetallurgie oder das Stanzen zum Einsatz.
• Kosten: Unterschiedliche Ansätze haben unterschiedliche Kostenstrukturen.

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Häufig gestellte Fragen zur Zahnradherstellung