Zahnräder für Pumpen und Getriebe

Hochpräzise keramische Zahnräder für Pumpen und Getriebe

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Für schwierige Fälle

Die neuen keramischen Maschinenelemente sind für Anwendungen interessant, in denen konventionelle Werkstoffe bezüglich Abrasion, Korrosion oder auch thermischer Beanspruchung an Belastungsgrenzen stoßen. Auch die typischen metallischen Verschleißmerkmale wie Kalt- oder Warmfresser, Rosten, Verzundern, Ausglühen, Heißlaufen oder Deformationen fehlen. Ferner sind sie spezifisch leichter, was für Leichtbau-Konstruktionen interessant ist und isolieren gegen Stromfluss (SiC nur bedingt). Darüber hinaus ermöglichen Komponenten aus SiC aufgrund ihres tribologischen Verhaltens einen Einsatz unter Mangel-, Misch- oder sogar Medienschmierung, wodurch aufwändige und wartungsintensive Öl- oder Fettschmierung wegfallen können. Sie überstehen auch unbeschadet einen kurzzeitigen, störungsbedingten Trockenlauf.

Konkrete Anwendungen, für die die keramischen Zahnräder qualifiziert wurden, sind Zahnrad-Förderpumpen für die Chemie- und Textiltechnik sowie Antriebszahnräder für mediengeschmierte Getriebe. Bei Anwendungen in der Chemie ist vor allem eine umfassende Korrosionsbeständigkeit wichtig, weshalb hier bevorzugt SiC eingesetzt wird. Damit können extrem aggressive Medien bis hin zu Fluorwasserstoffhaltigen Substanzen oder heißen Alkalihydroxid-Schmelzen gefördert werden, was konventionelle Werkstoffe rasch versagen ließe (Abb. 1, links).

In der Textiltechnik, besonders bei der Kunstfaser-Herstellung, kommt es u.a. auf einen sehr gleichmäßigen, steuerbaren und pulsationsarmen Förderstrom an, um den Prozess stabil zu fahren und Durchmesserschwankungen der Fasern zu minimieren. Tritt in der Pumpe Verschleiß auf, so wird das Pulsieren verstärkt, weshalb man primär an sehr verschleißbeständigen Förderzahnrädern interessiert ist. Aufgrund der zu Stahl ähnlichen Wärmedehnung von ZrO2, treten in der Kombination Stahlgehäuse/ZrO2-Förderzahnräder auch bei höheren Temperaturen kaum Spalten auf, die ein Pulsieren und eine höhere Verlustleistung bewirken würden. Deshalb ist für diese Art der Anwendung der hochzähe, teilstabilisierte ZrO2-Werkstoff „Y-TZP“ favorisiert und hat sich im Einsatz bewährt (Abb.1, rechts). Die Lebensdauer der Pumpen, bis kritischer Verschleiß auftritt, konnte deutlich gesteigert werden.

Nochmals andere Forderungen liegen für Antriebszahnräder vor, die hohe Drehmomente übertragen sollen. Potenzielle Anwendungen sind dabei mediengeschmierte Getriebe, um einen hohen Kapselungs- und Schmierungsaufwand konventioneller metallischer Getriebe zu vermeiden. Hier stellte sich die Frage, ob spröde Keramik überhaupt in der Lage ist, hohe Drehmomente zu übertragen, was theoretisch nur durch eine Linienberührung von zwei Zahnflanken erfolgt. Eine Schrägverzahnung solcher Zahnräder entschärft diese Situation, da dadurch immer mehrere Zahnpaare im Eingriff sind. Berechnungen des Fraunhofer Instituts haben gezeigt, dass die lokalen Spannungen der Zahnflanken gesenkt werden können, sodass die Keramik nicht überlastet wird. Dies wurde mit einer speziellen Prüfeinrichtung auch verifiziert, wodurch nachgewiesen wurde, dass z.B. SiC-Antriebszahnräder in der Lage sind, ein Drehmoment bis zu 1500 Nm zu übertragen. Neben der hohen Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit dieses Materials sind somit auch die mechanischen Voraussetzungen für einen solchen Einsatzfall gegeben.

Fazit: Gängige Zahnradgeometrien aus verschiedenen keramischen Hochleistungswerkstoffen mit hoher Abrasions- und Korrosionsbeständigkeit aber auch hoher mechanischer Belastbarkeit sind in größeren Stückzahlen wirtschaftlich herstellbar und haben sich in entsprechenden Anwendungstests bewährt. Aufgrund ihrer jeweils spezifischen Kombination an Eigenschaften und Vorteilen gegenüber metallischen Komponenten, ermöglichen diese hochpräzisen keramischen Zahnräder bessere, oder neue konstruktive Lösungen und Innovationen. FCT Hartbearbeitung ist bereit, diese zusammen mit interessierten Firmen und Ingenieurbüros zu realisieren.

* G. Wötting ist FuE-Leiter, R. Simolka ist Vertriebsleiter und W. Martin ist Geschäftsführer der FCT Hartbearbeitungs GmbH.

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