antriebstechnik 7/2015

Wertvolle Erkenntnisse

Wertvolle Erkenntnisse Warum Low-loss-Kunststoffzahnräder mehr Leistung bringen Matthias Fürstenberger, Martina Klug Die im Maschinenbau am häufigsten eingesetzte Verzahnungsart, die Evolventenverzahnung, hat einen üblichen Eingriffswinkel von 20 °. Ein Forschungsprojekt der TU München zusammen mit dem Gusspolyamidhersteller Handtmann Elteka hat nun gezeigt, wie mit einer Low-loss-Verzahnung mehr Leistung aus Zahnrädern herausgeholt werden kann. Kunststoffzahnräder werden insbeson dere dann eingesetzt, wenn Anwendungen schmiermittelfrei, also „trocken“, laufen müssen. Dies ist aus hygienischen und funktionellen Gründen z. B. häufig in der Medizintechnik, der Lebensmittelproduktion oder der Druckindustrie der Fall. Laufen Zahnräder schmiermittelfrei, treten im Zahnkontakt physikalisch unvermeidlich höhere Reibungswerte auf. „Zusätzlich kommt hier auch eine geringere Wärmeleitfähigkeit von Kunststoff ins Spiel“, erklärt Georg Petzinger, technischer Leiter bei Handtmann Elteka, dem Hersteller der Gusspolyamids Lauramid. Vier Jahre lang unterstützten die Kunststoffspezialisten das Projekt an der Forschungsstelle für Zahn räder und Getriebebau (FZG) der Technischen Universität München, bei dem Projektleiter Dr. Matthias Fürstenberger Optimierungsmöglichkeiten bei Kunststoff- Dr. Matthias Fürstenberger war Projektleiter bis letztes Jahr, als das Projekt beendet wurde in der Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau (FZG) bei der Technischen Universität München in München Dr. Martina Klug bei Klugmarketing & PR in Friedberg Stahl-Zahnradpaarungen erforschte. Dabei wurden Low-loss-Verzahnungsgeometrien auf Herz und Nieren untersucht. Mag ein Trockenlauf aus genannten Gründen notwendig sein, so begrenzt dieser doch die Einsatztemperaturen von Kunststoffzahnrädern naturgemäß. Verlustoptimierte Verzahnungsgeometrien, die sogenannten Low-loss-Verzahnungen, weisen hier deutlich niedrigere Reibungsverluste sowie eine geringere Erwärmung auf und können so mehr Leistung übertragen, bis die maximale Einsatztemperatur erreicht ist. „Eine verlustoptimierte Verzahnung zeigt sich optisch durch deutlich erhöhte Eingriffswinkel und eine reduzierte Zahnhöhe im Vergleich zu einer konventionellen Verzahnungsgeometrie“, erklärt Matthias Fürstenberger. „Wir erreichen so eine Konzentration des Zahneingriffs um den Wälzpunkt, wodurch die Reduktion der Reibungsverluste möglich wird.“ Allerdings wird bei niedrigeren Zahnhöhen auch die Tragfähigkeit reduziert und niedrigere Zähne verschleißen aufgrund der geringeren Verschleißzone rascher als höhere. Vergleich verschiedener Verzahnungsgeometrien „Die spezifischen Materialeigenschaften müssen berücksichtigt werden“ Bei den Tests wurden drei Zahnradhauptgeometrien verglichen: Eine „C20“-Verzahnung konventioneller Auslegung, die an eine bei Stahlzahnrädern weit verbreitete Testverzahnung angelehnt ist und zwei als „LL30“ bzw „LL40“ bezeichnete Low-loss- Varianten. „Die LL30-Variante liegt dabei hinsichtlich Profilüberdeckung und Eingriffswinkel näher an der konventionellen Auslegung“, erläutert Fürstenberger. Der für die Zahnräder verwendete Hightech-Kunststoff war das oben bereits erwähnte PA 12C Gusspolyamid Lauramid von Handtmann Elteka. Vorteil der Lauramid-Zahnrad-Herstellung im Gussverfahren ist hier u. a. die Möglichkeit, die Naben beim Herstellungsprozess unlösbar direkt eingießen zu können. Im Rahmen des Forschungsprojektes kamen gerändelte Stahlnaben zum Einsatz, die eine ausreichende Tragfähigkeit der Drehmomenteinleitung sicherstellten. Bei der Konstruktion und Auslegung der Lauramid-Zahnräder mussten die spezifischen 50 antriebstechnik 7/2015

SPECIAL I KUNSTSTOFFE IN DER ANTRIEBSTECHNIK Materialeigenschaften berücksichtigt werden: Kunststoffe weisen generell gegenüber Stahl größere Wärmeausdehnungskoeffizienten sowie eine Aufnahme von Feuchtigkeit auf. Die Wasseraufnahme von Lauramid ist mit 0,9 % an Luft allerdings die geringste aller Polyamide. Die Wärmeausdehnung von Lauramid im Temperaturbereich von 30 - 80 °C beträgt zwischen 100 bis 180∙10-61/K. Diese Kunststoffzahnräder wurden dann bei den Tests mit Stahlzahnrädern gepaart. Bis zu 75 % mehr Leistung „Um die Leistungswerte von schmiermittelfrei laufenden Kunststoff-Stahl-Zahnradpaarungen zu ermitteln, die mit Low-loss-Verzahnungen ausgelegt sind, wurden die Tests an den Testständen planmäßig bis über die Belastungsgrenzen, also dem Ausfall der jeweiligen Zahnradkombinationen, ausgeführt“, erklärt der Projektleiter das Vorgehen. 02 Beide verlustoptimierte Verzahnungen zeigen sich optisch durch deutlich erhöhte Eingriffswinkel und eine reduzierte Zahnhöhe im Vergleich zu einer konventionellen Verzahnungsge-ometrie 01 Versuche mit Low-loss Lauramid-Stahl- Zahnradpaarung im Prüfstand igus ® meine-kette ... chainflex ® hält ... News ’15 ... 3 Jahre Garantie auf alle chainflex® Leitungen Garantie igus.de/alle_kabeltests Monate oder bis zu 10 Mio. Doppelhübe, bei Leitungen der chainflex ® M- Familie bis zu 5 Mio. garantiert Getestet: chainflex ® hält oder Geld zurück Einzigartige Garantie für alle igus ® Leitungen: 36 Monate bzw. 10 Millionen Doppelhübe (5 Millionen bei chainflex ® M). Planbare Sicherheit durch das mit 1.750 m 2 größte Testlabor für bewegte Leitungen, über 700 parallel laufende Test pro Jahr mit 2 Milliarden Hüben. Diese motion plastics ® News finden Sie unter igus.de/Garantie igus ® GmbH Spicher Str. 1a 51147 Köln Tel. 02203-9649-800 info@igus.de Monate 36Garantie plastics for longer life® Besuchen Sie uns: Fachpack - Halle 1 Stand 343, Motek - Halle 4 Stand 4310 Igus.indd 1 30.06.2015 07:49:09 antriebstechnik 7/2015 51