Verzahnung als Qualitätsfaktor  Gebündeltes Know-how für das Getriebe-Herzstück

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Die Verzahnung bildet das Herzstück des Getriebes und bestimmt entscheidend über dessen Qualität. Das gilt vor allem für Planetengetriebe, wie dieser Beitrag zeigt.

Auch wenn das Funktionsprinzip von Planetengetrieben auf den ersten Blick einfach erscheint, stellt sich die Konstruktion im Detail doch außerordentlich komplex dar. So ist beispielsweise die optimale Positioniergenauigkeit das Ergebnis eines möglichst geringen Verdrehspiels einerseits und einer möglichst hohen Verdrehsteifigkeit andererseits. Damit also ein Getriebe auch nach vielen tausend Betriebsstunden noch die gewünschte Leistung bringt, müssen viele Komponenten exakt aufeinander abgestimmt sein. 

Hohe Gleichlaufgüte als Ergebnis präziser Verzahnung

Eine zentrale Rolle spielt in diesem Zusammenhang die Verzahnung der Planetenräder, des zentralen Ritzels (Sonnenrad) und des Hohlrades. Für den optimalen Gleichlauf des Getriebes ist es beispielsweise notwendig, dass die Zähne dieser Bauteile sehr präzise ineinandergreifen. Um das zu erreichen, wird die Verzahnung besonders genau gefertigt und zum Beispiel erst nach dem Härtevorgang geschliffen.

Zusätzlich besteht die Möglichkeit, das Verdrehspiel auf ein Minimum zu reduzieren, indem die Verzahnungsteile zueinander gepaart werden. Das heißt, jedes Bauteil wird hochgenau im µ-Bereich vermessen und mit exakt passenden Gegenstücken kombiniert. Je geringer das Verdrehspiel des Getriebes ist, desto genauer lässt sich ein Gegenstand positionieren, was zum Beispiel bei Bearbeitungsmaschinen oder in der Robotik wichtig ist. Das bedeutet: Der erforderliche Freiraum zwischen den Zahnflanken, das Zahnspiel, muss so eng bemessen sein, dass einerseits der Leerlauf beim Anlaufen oder bei Richtungswechseln (Reversierbetrieb) so gering wie möglich ist und andererseits ein Abwälzen der Zahnflanken möglich bleibt.  

Gerad- und schrägverzahnte Getriebe 

Bei der Ausführung der Verzahnung bestehen generell zwei Möglichkeiten: Bei einer geraden Verzahnung erfolgt der Zahneingriff auf der kompletten Zahnbreite. Schrägverzahnte Getriebe zeichnen sich hingegen durch einen ansteigenden, stetigen Zahneingriff aus. Beide Verzahnungsarten bieten damit charakteristische Vorteile, die sich anwendungsspezifisch nutzen lassen.

So können geradverzahnte Getriebe – bei gleicher Baugröße – höhere Drehmomente übertragen als schrägverzahnte, weil aufgrund der geraden Verzahnung keine Axialkräfte auf die Planeten und deren Lagerung wirken. Allerdings verursacht der geradlinige Zahneingriff eine höhere Geräuschemission und auch der Gleichlauf hat einen vergleichsweise unstetigen, wellenförmigen Verlauf. Im Gegenzug gewährleisten schrägverzahnte Getriebe einen sehr homogenen Vorschub und einen ruhigen, geräuscharmen Lauf unter Last. Ist für eine Anwendung also ein maximales Drehmoment entscheidend, ist häufig ein Getriebe mit Geradeverzahnung empfehlenswert. Geht es aber um hohe Gleichlaufgüte oder geringe Geräuschentwicklung ist ein Getriebe mit Schrägverzahnung ideal.  

Schrägverzahnte Getriebe werden deshalb beispielsweise in Vorschüben von Holzbearbeitungsmaschinen eingesetzt. Diese Getriebe müssen besonders gleichmäßig und ruhig laufen, da sonst feinste so genannte Rattermarken auf der Oberfläche des Werkstücks auftreten. Eine beispielhafte Anwendung für geradverzahnte Getriebe wäre hingegen ein großer Schwenkarm-Antrieb, der mehrere Tonnen schwere Bauteile bewegt. Hier kommt es vor allem auf ein hohes Drehmoment an, während die Geräuschemission nur eine unterordnete Rolle spielt.

Gebündeltes Spezial-Know-how erforderlich

Vor diesem Hintergrund wird deutlich, dass die Verzahnung allerhöchste technische Anforderungen zu erfüllen hat, die letztlich über die Qualität des gesamten Getriebes entscheiden. Das dafür erforderliche Spezial-Know-how umfasst sowohl die Fertigung der entsprechenden Bauteile als auch deren Auslegung und Entwicklung.  

Bei Neugart arbeitet eine eigene Abteilung daran, die Leistungsfähigkeit der Neugart-Getriebe immer noch weiter zu steigern, um auch zukünftigen Marktanforderungen gerecht zu werden. Im Neugart Verzahnungskompetenzzentrum (kurz VKZ) ergänzen sich dabei unterschiedliche Kompetenzen rund um Getriebekonzeption, Simulation, Verzahnungsuntersuchung und Zahnradfertigung.  

Ansatzpunkte für neue Optimierungen bieten Werk- und Schmierstoffe, die Wärmebehandlung, die Verzahnungsgeometrie oder die Lastverteilung. Eine Fragestellung des VKZ lautet zum Beispiel: Wie müssen Bauteile beschaffen sein, damit sie einerseits eine hohe Lebensdauer erreichen und sich andererseits wirtschaftlich herstellen lassen? Mögliche Antworten betreffen die metallografische Auswahl des optimalen Werkstoffs ebenso wie den späteren Fertigungsprozess bis hin zur Qualitätssicherung. Effizient automatisierte Maschinen und Anlagen minimieren Fertigungskosten, sichern die Produktqualität und gewährleisten eine hohe Verfügbarkeit in der Produktion. Diese Vorteile gilt es bei der Verzahnungsherstellung zu erhalten und gleichzeitig die Qualität der Bauteile, die Oberflächenqualität und Oberflächentopografie zu optimieren.

Der Einsatz eines speziellen Prüffelds für dynamisch ablaufende Lastzyklen ermöglicht es, die Einflüsse der Makro- und Mikrogeometrie von Ritzel und Zahnrad sowie deren lastspezifische Relativlage zu erfassen. Auf dieser Grundlage lassen sich dann die komplexen Zusammenhänge einer sich unter Last befindlichen Verzahnung abbilden und ihre Eigenschaften, besonders hinsichtlich Tragfähigkeit und Geräuschentwicklung weiter optimieren. 

Komplexer Auswahlprozess 

Über diese technischen Aspekte hinaus zeigt die Gestaltung der Verzahnung aber auch beispielhaft, welche komplexen Entscheidungen auf dem Weg zum optimalen Planetengetriebe zu treffen sind – vom Hersteller ebenso wie vom Anwender. Allein die Entscheidung, ob ein gerade- oder schrägverzahntes Getriebe eingesetzt werden soll, ist häufig schon schwer zu treffen.  Einen einfachen Überblick über die Leistungsdaten gibt der Online-Konfigurator Tec Data Finder (TDF). So lassen sich Getriebe schnell und einfach vergleichen und mit wenigen Klicks Maßblätter sowie 3D-Modelle anfordern. Die Berechnungssoftware Neugart Calculation Program (NCP) hilft bei der Überprüfung der applikationsbedingten Kennwerte und somit bei der spezifischen Dimensionierung des Getriebes.