Bei einem Winkelantrieb stehen Entwickler und Techniker immer wieder vor der Frage, welche Verzahnungsform soll eingesetzt werden: klassische Kegelräder oder die im Montagehandling wesentlich unkomplizierteren Kronenräder? Durch eine neue Auslegungs- und Fertigungsmethode bringt der Spezialist für Kunststoffverzahnungen, die Werner Bauser GmbH, das bislang mit Fertigungsproblemen behaftete Kronenradgetriebe in ein ganz neues Licht.
Bislang taten sich für den Konstrukteur nicht allzuviele Möglichkeiten auf, wenn bei einem zu entwickelnden Produkt der Antrieb und der Abtrieb 90° zueinander stehen. In den meisten Fällen wurden und werden - rein aus fertigungstechnischen Gründen – für den Winkelantrieb Kegelräder in den verschiedensten Flankengeometrien eingesetzt – ob schrägverzahnte, geradverzahnte oder bogenförmige Kegelräder, die in der Fachsprache auch Klingelnberg- und Palloidverzahnung genannt werden.
Was dies für den Montageaufwand bedeutet, kann sich jeder Praktiker leidvoll ausmalen. Das Kegelrad muß beim Einbau in zwei Achsen – sowohl axial als auch radial – mit dem entsprechendem Montageaufwand exakt justiert werden. Bei einem möglichen Toleranzspiel der Motorwelle sind hierbei zweifelsohne Probleme vorprogrammiert. Zudem sind beim Einsatz von Kegelrädern konstruktive, mechanische Vorkehrungen zu treffen, um die zusätzlichen axialen Kräfte, die auf die Motorwelle wirken, auszugleichen.
Bei all diesen Problemstellungen kommt als Silberstreif am Horizont das Kronenrad ins Spiel. Zwar sind Kronenräder an sich nichts Neues – doch der Weg zum perfekten Kronenrad als Spritzgießteil und somit zur Lösung aller beim Kegelrad genannten Probleme ist neu. Der im schwäbischen Wehingen beheimatete Spezialist für Kunststoffteile und -verzahnungen, die Werner Bauser GmbH, hat ein neues Auslegungs- und Fertigungsverfahren entwickelt, das das Kronenrad zu mehr als nur einer Alternative macht. Und gleichzeitig Konstrukteuren und Geräteherstellern alle Möglichkeiten erschließt, mit dem Kronenrad ein verzahnungsoptimiertes, gewichtsminimierendes und kosteneffektives Bauteil einzusetzen.
Die Geschichte des Kronenrades
Wie gesagt, Kronenräder sind keine neue Erfindung und fanden bereits vor Jahren in der Spielwarenbranche erste Einsatzbereiche. Denkt man z.B. an die legendäre Carrera-Rennbahn, bei der der Elektromotor waagerecht im Fahrzeug liegt und der Antrieb über ein Messingritzel erfolgt, das rechtwinklig in ein Kronenrad eingreift und mit der Hinterachse des Fahrzeugs starr verbunden ist. Das Fertigungsverfahren eines solchen Kronenrads war denkbar einfach. Eine Messingscheibe von geringer Breite wurde wie ein Außenstirnrad verzahnt. So ein Außenstirnrad war im Anfangsstadium mit einem Trapezprofil als Zahnflanke ausgeprägt, und im Laufe der Entwicklungszeit wurden auch hier Evolventenprofile eingesetzt. Nach dem Verzahnen der Messingscheibe wurden die einzelnen Zähne einfach um 90° umgebogen und fertig war das Kronenrad. Zum Glück gibt es heute hochpräzise Fertigungsverfahren, die eine präzise und kostengünstige Herstellung von Kronenräder ermöglichen.
Berechnungs- und Auslegungsmethode verfeinert
Auch die Berechnungs- und Auslegungsmethode der Kronenräder ist heute kein Thema mehr. Bei einem Kegelrad ändert sich der Modul stufenlos über die Radbreite. Hingegen verändert sich beim Kronenrad auch das Zahnprofil über die Radbreite stufenlos vom Innendurchmesser auf den Außendurchmesser. Hierbei ändert sich nicht nur der Modul wie bei einem Kegelrad, sondern zusätzlich noch der Eingriffswinkel. Dies ist erforderlich, damit das Kronenrad mit einem zylindrischen Außenstirnrad gepaart werden kann.
Die Vorteile des Kronenrades
Somit liegen die Vorteile eines Kronenradgetriebes gegenüber eines Kegelradgetriebes klar auf der Hand. In der Montage ist das Kegelradgetriebe aufwendiger in der Einstellung des Flankenspiels, und oft müssen noch zusätzliche Lagerstellen und Lager eingebaut werden, um die Axialkräfte des Getriebes aufzunehmen. Bei einem Kronenradgetriebe ist hingegen nur ein einziges Abstandmaß einzuhalten, das das Flankenspiel und die Achsabstandstoleranz beinhaltet. Das Axialspiel einer Motorwelle ist bei einem Kronenradgetriebe ohne Bedeutung. Das zylindrische Zahnrad, das auf der Motorwelle sitzt, kann sich über die Zahnbreite axial verschieben, ohne dass sich die Abwälzung der Verzahnung negativ auf die Laufeigenschaft des Getriebes auswirkt. Ein weiterer Vorteil eines Kronenradgetriebes besteht darin, dass günstige Fernost-Motoren eingesetzt werden können, die oftmals empfindlich auf Axialkräfte reagieren und eine zusätzliche Lagerstelle benötigen.
Mit einem neuen Fertigungsverfahren kommen die Vorteile des Kronenrades neu ins Gespräch
Die Werner Bauser GmbH hat in den letzten Monaten intensive Entwicklungsarbeit in Berechnung, Auslegung und Optimierung von Kronenrädern sowie in Fertigungstechnologie und Meßtechnik investiert, und somit einen richtungsweisenden Meilenstein erarbeitet. Mit einer neuen Methodik für die konstruktive Auslegung und Optimierung wurde der Grundstein für die optimierte Umsetzung des Kronenrades von der Konstruktion über den Werkzeugbau bis in die Serienfertigung gelegt: Ein Kronenradprofil muß exakt von seinem Innendurchmesser bis zum Außendurchmesser, also über die gesamte Radbreite in jedem beliebigen Schnitt mit Modul und dem dazugehörigen Eingriffswinkel bestimmbar sein. Dies ist Voraussetzung und Grundlage für den Werkzeugbau und für die spätere Überprüfung des Kronenradprofils in der Messtechnik.
Der zweite Schritt: Die Werkzeugherstellung für ein Kronenrad erfolgte bislang durch Abwälzerodieren in mehreren Arbeitsschritten. Dieses Verfahren war äußerst aufwendig und hatte einen grundlegenden Nachteil: es war nicht möglich, eine Einzelzahnkorrektur durchzuführen. Mit anderen Worten ausgedrückt, heißt das, treten am Spritzteil Teilungsfehler, Eingriffwinkelfehler, Kopf- oder Fußträger auf – und diese Fehler sitzen bei jedem Zahn an einer anderen Stelle, was bei Kunststoffzahnrädern durch die unterschiedlichen Schwindungsverhältnisse hervorgerufen wird – dann ist eine Einzelzahnkorrektur am Werkzeug im Abwälzerodierverfahren nicht möglich.
Es ist jedoch von größter Bedeutung, daß diese Fehler im Verzahnungseinsatz korrigiert werden. Vernachlässigt man dieses Redesign bei Zahnrädern, ist eine schlechte Laufeigenschaft vorprogrammiert, die sich auf Geräusch, Verschleiß, Erwärmung, Wirkungsgradverlust und gleichförmigen Lauf negativ auswirkt. Die von Bauser neu entwickelte Fertigungstechnologie für Kronenräder, läßt eine Einzelzahnkorrektur ohne weiteres zu. Die in der Meßtechnik festgestellten Fehler, die durch den Soll-Ist-Vergleich dargestellt werden, sind im Verzahnungseinsatz korrigierbar. Der Soll-Ist-Vergleich stellt die Abweichung zwischen dem Soll- und Ist-Profil dar.
Dieses neue Zusammenspiel von Konstruktion, Werkzeugherstellung, Meßtechnik und Erfahrungen in der Serienfertigung von Spritzgießteilen ermöglicht es nun im Verbund mit einer neuen Auslegungsmethodik, präzise Kronenräder in Spritzguß herzustellen, die den hohen Erwartungsansprüchen in puncto Geräuscharmut, Verschleißarmut, guter Wirkungsgrad und kultivierter Laufeigenschaft durch eine optimierte Werkzeuggeometrie erfüllen.
Mit Akribie hat die Werner Bauser GmbH dem Kronenrad, seinen Konstrukteuren und Entwicklern neue Perspektiven eröffnet. Den schwäbischen Tüftlern ist es gelungen, den Vorteilen des Kronenrades auf wirtschaftliche Weise den Weg zu ebnen.
Verfasser:
Uwe Dzick,
Spezialist für Verzahnungsoptimierung,
Werner Bauser GmbH
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Die optimale Lösung für Winkelantriebe: Das Kronenrad - wie hier in einem Dreieckschleifer von Metabo eingesetzt – bietet Vorteile bei der Montage und konstruktiv bedingte Sicherheit für zuverlässige, langlebige Funktion. Mit einem neuen Auslegungs- und Fertigungsverfahren erschließt die Werner Bauser GmbH dem Kronenrad auch die Welt als Spritzgußteil.
Eine neue Methodik macht es möglich, verzahnungsoptimierte Kronenräder im Spritzgießverfahren wirtschaftlich herzustellen. Grundlage hierfür war bei dem Spezialisten für Kunststoffverzahnungen, der Werner Bauser GmbH (Wehingen), die Neudefinition der Verfahrensschritte von der Auslegung über die Werkzeugherstellung bis hin zur Serienfertigung.
Der Königsweg zu geringerem Montageaufwand, Funktionssicherheit, Laufruhe und Wirkungsgrad bei Winkelantrieben: das Kronenrad.
