Zahnräder aus Kunststoff – BKM
Sehr gute Materialeigenschaften, wirtschaftliche Fertigungsverfahren und fast unbegrenzte Möglichkeiten bei der Formgebung haben Zahnrädern aus Kunststoff zu ihrem Siegeszug verholfen.
In vielen Anwendungsfällen stellen Kunststoffzahnräder eindrucksvoll unter Beweis, dass sie Zahnrädern aus Metall überlegen sind.
Inhalt:
Die Vorteile von Zahnrädern aus Kunststoff
Für die Anwendung in Hochleistungsgetrieben und für die Übertragung von sehr großen Leistungen und Kräften sind Zahnräder aus thermoplastischen Kunststoffen nicht geeignet. Trotzdem haben sie einen imposanten Siegeszug angetreten und sich ein breites Anwendungsfeld erschlossen.
Denn die spezifischen Eigenschaften von Kunststoff als Werkstoff erlauben einen Einsatz unter Bedingungen, in denen sogar hochwertige metallische Werkstoffe versagen.
Zu den wichtigsten Vorteilen von Zahnrädern aus Kunststoff gehören:
- hohe Verschleißfestigkeit
- gute Schlagfestigkeit
- Schwingungsdämpfung
- Korrosionsbeständigkeit
- geringere Flächenpressung durch Eigenelastizität
- hohes Rückstellvermögen
- niedriges Massenträgheitsmoment durch geringes Gewicht
- geräuscharmer Lauf
- wartungsfreier Einsatz
- sehr gute Notlaufeigenschaften
Hinzu kommt die kostengünstige Herstellung. Damit die Zahnräder den Anforderungen gerecht werden können und langfristig einen zuverlässigen Einsatz gewährleisten, sind aber die Auswahl des richtigen Kunststoffs und eine werkstoffgerechte Konstruktion sehr wichtig.
Die Kunststoffe für Zahnräder
Die Auswahl des Kunststoffs richtet sich nach der Umgebung, in der die Zahnräder eingesetzt werden. Die mechanische Belastung, die Umgebungstemperatur, der Kontakt zu Chemikalien oder Feuchtigkeit und viele andere Faktoren spielen dabei eine Rolle. Auch die Größe der Zahnräder und die Maßanforderungen kommen zum Tragen.
Ein Kunststoff, der sich gewissermaßen als Allrounder für Zahnräder bewährt hat, ist Polyamid (PA). PA ist verschleißfest und stoßmindernd.
Kommt es auf gute Dämpfungseigenschaften und eine hohe chemische Beständigkeit an, kann Polyethyen Ultra High Molecular Weight (PE-UHMW) eine gute Lösung sein. Besonders hohe Umgebungstemperaturen wiederum erfordern entsprechende Hochleistungskunststoffe wie zum Beispiel PEEK.
Wir wählen den Kunststoff aus, der am besten zu den Anforderungen Ihrer Anwendung passt. Dabei können wir die Werkstoffe mit Zusätzen konditionieren, indem wir zum Beispiel mit Glas- oder Kohlefasern verstärkte Kunststoffe verarbeiten.
Daneben können wir Zahnräder liefern, die mit wenig Spiel oder für hohe Notlaufanteile ausgelegt, modulkorrigiert, im Flankenspiel zur Geräuschminderung optimiert, mit der idealen Zahnfußfestigkeit gestaltet oder für den Einsatz bei hohen Betriebstemperaturen eingestellt sind.
Die Gegenlaufpartner
Was die Ausnutzung der Tragfähigkeit und den Verschleiß angeht, haben sich Zahnräder aus flankengehärtetem Stahl als ideale Gegenlaufpartner bewährt. Denn der Stahl sorgt für eine sehr gute Abfuhr der Reibungswärme. Dabei gilt als Grundregel, dass der Verschleiß umso niedriger ist, je härter der Stahl ist.
Wir empfehlen im Trockenlauf und im geschmierten Betrieb eine Rautiefe von 8 bis 10 µm.
Bei Zahnrädern, die nur einer geringen Belastung ausgesetzt sind, ist auch eine Paarung aus zwei Kunststoffen möglich. Die Rauheiten der Oberflächen fallen für den Verschleiß dabei nicht ins Gewicht. Bei der Auswahl der Werkstoffe muss aber beachtet werden, dass das treibende Ritzel immer einer höheren Beanspruchung ausgesetzt ist.
Deshalb sollte das Ritzel stets aus dem Werkstoff bestehen, der verschleißfester ist. Bei der Kombination aus Stahl und Kunststoff sollte demnach das Ritzel aus Stahl und das Zahnrad aus Kunststoff gefertigt sein. Bei einer Paarung aus zwei Kunststoffen bieten sich zum Beispiel PA für das Ritzel und POM für das Zahnrad an.
Die Schmierung
Eine Einbauschmierung verbessert die Standzeit und das Einlaufverhalten deutlich. Mit Schmierstoff modifizierte Kunststoffe erreichen auch ohne zusätzliche Schmierung wesentlich längere Standzeiten.
Eine konstante Ölschmierung hat eine bessere Wärmeabfuhr zur Folge. Dadurch erhöht sich die Lebensdauer der Zahnräder und es können höhere Leistungen übertragen werden. Bei einer Fettschmierung sollte die Umfangsgeschwindigkeit bei höchstens fünf Meter pro Sekunde liegen.
Andernfalls besteht die Gefahr, dass das Fett weggeschleudert wird. Eine Wasserschmierung ist für Polyamide nicht ratsam, weil sie dazu neigen, die Feuchtigkeit aufzunehmen.
Kunststoffe haben grundsätzlich gute Dämpfungseigenschaften. Verglichen mit Zahnrädern aus Metallen, reduzieren Zahnräder aus Kunststoff die Laufgeräusche erheblich. Eine Zahnradpaarung aus Stahl und Stahl ist im Betrieb bis zu dreimal lauter als eine Zahnradpaarung aus Stahl und Kunststoff.
Die Herstellung von Zahnrädern aus Kunststoff
Je nach Form, Größe, Verzahnungsqualität, Einsatzbereich und Kunststoff können Zahnräder entweder im Spritzguss oder spanabhebend hergestellt werden. Der Spritzguss ermöglicht, qualitativ hochwertige und sehr präzise Zahnräder mit den unterschiedlichsten Geometrien schnell und kostengünstig in Masse zu produzieren.
Bei einer spanabhebenden Herstellung kommen die gleichen Verfahren zum Einsatz wie bei Zahnrädern aus metallischen Werkstoffen. Durch die sehr geringen Schnittkräfte kann das Profil mit hohen Vorschüben in einem Arbeitsgang gefertigt werden. Dadurch sinken die Herstellungskosten.
Hohe Vorschübe können zwar zu welligen Oberflächen führen. Im Trockenlauf werden die Zahnflanken aber schon nach einer kurzen Einlaufphase geglättet, während sich der Schmierstoff bei einer Schmierung vorteilhaft in der Wellenform sammeln kann. Insofern ist die Wellenbildung keine Qualitätsminderung.
Hinzu kommt, dass sich die Zahnflanken von Zahnrädern aus Kunststoff leicht anpassen. Das gilt vor allem für Zahntriebe, die Kräfte übertragen. Anders als bei Zahnrädern aus Metall sind deshalb Verzahnungsfehler zulässig und unproblematisch.
Um die Einflüsse von Temperaturen und Feuchtigkeit auszugleichen, wird das Zahnspiel um bis zu zwei Qualitäten erhöht.
Zahnräder sind wichtige Funktionsteile, die hohen Ansprüchen genügen müssen. Die Qualität und die Lebensdauer des fertigen Zahnrads hängen von vielen Faktoren ab, die ineinander greifen und aufeinander abgestimmt sein müssen.
Das fängt mit der Auswahl des geeigneten Kunststoffs an, geht über eine durchdachte Konstruktion und endet bei der werkstoffgerechten Verarbeitung.
FAQ: Langzeitverhalten, Alterung und Belastungsgrenzen von Kunststoffzahnrädern
Wie beeinflusst UV-Strahlung die Lebensdauer von Kunststoffzahnrädern?
UV-Strahlung kann zu einer Veränderung der chemischen Struktur vieler Kunststoffe führen, was Versprödung und Rissbildung zur Folge haben kann. Dies führt zu einer Verringerung der mechanischen Festigkeit und damit zu einer Verkürzung der Lebensdauer von Zahnrädern. Um diesem Effekt entgegen zu wirken, können UV-stabilisierte Kunststoffe verwendet werden oder es können Schutzschichten aufgetragen werden, die die Auswirkungen der Strahlung reduzieren.
Wie wirkt sich Ozon auf Kunststoffzahnräder aus?
Ozon kann die Oberfläche von Kunststoffen angreifen und Oxidationsprozesse beschleunigen, die zu einer Schwächung der Materialintegrität führen können. Insbesondere Elastomere und Kunststoffe, die nicht spezifisch ozonbeständig sind, zeigen hier Anfälligkeiten. Durch den Einsatz von ozonbeständigen Kunststoffen, wie z.B. bestimmten Polyolefinen, oder durch die Gestaltung des Einsatzortes, an dem die Zahnräder möglichst wenig Ozon ausgesetzt sind, kann dieser Effekt minimiert werden.
Wie reagieren Kunststoffzahnräder auf extreme Temperaturen?
Extreme Temperaturen können einen erheblichen Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften von Kunststoffen haben. Bei hohen Temperaturen kann es zu Erweichung und Verformung kommen, während es bei niedrigen Temperaturen zu Versprödung kommen kann. Materialien wie Polyetheretherketon (PEEK) eignen sich für hohe Temperaturen, wohingegen Polyamide bei niedrigen Temperaturen bessere Eigenschaften aufweisen. Die Auswahl des richtigen Kunststoffs in Abhängigkeit von den zu erwartenden Temperaturextremen ist wichtig.
Was sind die spezifischen Belastungsgrenzen von Kunststoffzahnrädern?
Die Belastungsgrenzen von Zahnrädern aus Kunststoff sind je nach Werkstoff unterschiedlich. So können z. B. Zahnräder aus Polyamid (PA) in der Regel einer Dauerbelastung von ca. 40 – 60 MPa standhalten, während Zahnräder aus Polyoxymethylen (POM) für höhere Anforderungen an die Abmessungen und Belastungen bis zu 80 MPa geeignet sind. Die Wahl des Werkstoffs sollte sich nach der spezifischen mechanischen Belastung der Anwendung richten.
In welchen Anwendungsfällen sind Kunststoffzahnräder optimal?
Zahnräder aus Kunststoff eignen sich besonders für Anwendungen, bei denen es auf Korrosionsbeständigkeit, geringes Gewicht und einen geräuscharmen Lauf ankommt. Sie werden häufig in Haushaltsgeräten, Spielzeug, Fahrzeuginnenräumen und medizinischen Geräten eingesetzt. Anwendungen mit geringer bis mittlerer Belastung und ohne extreme Umwelteinflüsse sind ideal für den Einsatz von Zahnrädern aus Kunststoff.
Welche Einsatzbedingungen sind für Kunststoffzahnräder ungeeignet?
Für Anwendungen mit extrem hohen Belastungen oder sehr hohen Temperaturen (über 150°C) sind Kunststoffzahnräder weniger geeignet. Auch Umgebungen mit hoher UV-Belastung oder starker Ozonbelastung können problematisch sein, es sei denn, es werden speziell angepasste Kunststoffe verwendet. Darüber hinaus sind sehr hohe mechanische Belastungen und Abrieb, wie sie im Schwermaschinenbau oder in der Bergbauindustrie auftreten, für Kunststoffgetriebe nicht geeignet.