Eine kurze Einführung in die Profilmodifikation von Zahnrädern

I. Warum ist die Profilmodifikation von Zahnrädern notwendig? (Zwecke und Erfordernisse)

1. Elastische Deformation : Bei der Kraftübertragung tritt eine geringe elastische Verformung in den Zahnradzähnen, Wellen und Lagern auf. Dadurch schneidet die Wurzel des treibenden Zahnrads in die Spitze des getriebenen Zahnrads hinein (bekannt als „Eingriffsstörung“), was zu Schlägen, Vibrationen und Lärm führt.
2. Fertigungs- und Montagefehler : Die Zahnräder weisen selbst geringfügige Teilungsfehler und Profilabweichungen auf. Bei der Montage können Mittelpunktsabstandsfehler und verdrehte Achsen auftreten. Diese Fehler stören den idealen Eingriffszustand.
3. Thermische Verformung : Die während des Betriebs entstehende Wärme verursacht eine thermische Ausdehnung des Getriebes und der Zahnräder, wodurch sich die ursprünglichen Eingriffsbedingungen verändern.

• Kanteneingriff an der Zahnspitze : Verstärkte Eingriffsstöße.
• Spannungskonzentration : Übermäßig hohe Kontaktspannungen an den Zahnspitzen und Zahnfüßen.
• Erhöhte Vibrationen und Geräusche : Beeinträchtigte Getriebestabilität und Fahrkomfort.
• Verringerte Effizienz : Energieverlust durch zusätzliche Reibung und Schlagbelastung.

II. Hauptarten der Veränderung

1. Zahnprofilveränderung – Veränderung entlang der Zahnkopfhöhe
   Dabei wird die Zahnprofilform in der zur Achse senkrechten Endebene verändert. Die wichtigsten Arten sind:
   • Spitzenentlastung : Die am häufigsten verwendete Methode zur Zahnflankenmodifikation, bei der ein kleiner Bereich der Evolventen-Zahnflanke nahe dem Zahnkopf gezielt verjüngt wird. Ihr Zweck besteht darin, Basisrundlaufabweichungen und Verformungen der Zähne auszugleichen, Kantenkontakt am Zahnende sowie Einschalt- und Ausschaltstöße zu vermeiden und eine gleichmäßige Kraftübertragung sicherzustellen.
   • Fußrücknahme : Verjüngung des Fußes des Zahnrads im Bereich, der mit dem Zahnende des Gegenrads korrespondiert. Ihr Zweck ist es, Eingriffsstörungen zwischen dem Zahnende des Gegenrads und dem Fuß des aktuellen Zahnrads zu verhindern und einen sanften Übergang beim Eingriff zu ermöglichen.
   • Längswölbung : Gestaltung der Zahnflanke in leicht trommelartiger Form, wobei der mittlere Bereich leicht hervorsteht. Ihr Zweck besteht darin, exzentrische Belastungen und Montagefehler des Zahnrads auszugleichen, sodass die Last besser in der Mitte der Zahnfläche konzentriert wird und Spannungskonzentrationen an den Zahnenden vermieden werden.
2. Zahnlängenmodifikation - Modifikation entlang der Zahnbreite
   Damit ist die Modifizierung der Zahnflankenform in Richtung parallel zur Getriebeachse gemeint. Die Haupttypen umfassen:
   • Zahnschleppabschrägung : Beide Zahnenden werden entlang der Zahnlauflinie entsprechend angedünnt. Ziel ist es, Verformungen der Welle und des Getriebes sowie Schrägverzahnungsfehler auszugleichen, Spannungskonzentration an den Zahnenden zu vermeiden und die Lastverteilung auf der Zahnfläche zu verbessern.
   • Zahnhöhenkorrektur (Profilverrundung) : Die Zahnfläche wird entlang der Zahnbreite leicht trommelförmig gestaltet (in der Mitte gewölbt, an beiden Enden niedriger). Als effektivste Methode der Zahnlauflinienmodifikation kann sie eine exzentrische Belastung infolge Torsionsverformung der Welle und Fehlausrichtung bei der Montage signifikant ausgleichen, das Kontaktbild in der Mitte der Zahnfläche konzentrieren und die Tragfähigkeit sowie Lebensdauer verbessern.

III. Wie wird die Zahnprofilmodifikation erreicht? (Fertigungsverfahren)

1. Modifiziertes Zahnrad-Schleifen : Die genaueste und am häufigsten verwendete Methode. Auf einer CNC-Zahnschleifmaschine wird die Bewegungsbahn der Schleifscheibe durch Software-Programmierung gesteuert, um direkt das gewünschte modifizierte Zahnprofil zu schleifen. Sie ist die bevorzugte Methode zur Realisierung komplexer Modifikationen (wie z. B. gekrönte Zähne).
2. Modifiziertes Zahnrad-Stoßen : Bei Zahnrädern mit weichen Zahnflanken kann ein modifizierter Stoßmesser zum Abschrägen verwendet werden, wodurch die Modifikationsmenge auf die Zahnflanke des Rades übertragen wird.
3. Modifiziertes Zahnrad-Honen : Prinzipiell ähnlich wie das Zahnrad-Stoßen, wird beim Härten von Wärmebehandlungsgetrieben ein modifiziertes Honrad zur Nachbearbeitung eingesetzt. Dadurch wird nicht nur die Oberflächenqualität verbessert, sondern auch ein gewisser Grad an Profilmodifikation erreicht.

Fazit