Zahnräder für Pumpen und Getriebe Hochpräzise keramische Zahnräder für Pumpen und Getriebe

Autor / Redakteur: Gerhard Wötting, Robert Simolka, Walter Martin / Anke Geipel-Kern

Hohe Präzision und Wirtschaftlichkeit sind manchmal schwer vereinbar. Ein optimiertes Fertigungsverfahren für keramische Zahnräder schafft die Quadratur des Kreises und damit die Basis für neue konstruktive Lösungen bei Zahnradpumpen und Getrieben.

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Abb.1: Hochpräzise geschliffene Förderzahnräder aus SiC mit einem schrägverzahnten SiC-Antriebszahnrad mit einem Kopfkreis-Durchmesser von 160 Millimeter.
Abb.1: Hochpräzise geschliffene Förderzahnräder aus SiC mit einem schrägverzahnten SiC-Antriebszahnrad mit einem Kopfkreis-Durchmesser von 160 Millimeter.
(Bild: FCT)

Zahnräder übertragen Drehmomente, übersetzen Kräfte und Geschwindigkeiten dienen aber auch zur Produktförderung z.B. in Zahnrad-Pumpen. Sie sind gekennzeichnet als ein Rad mit über den Umfang gleichmäßig verteilten Zähnen, die formschlüssig ohne Schlupf ineinander greifen. Aus dieser Definition ergeben sich schon zwangsläufig die hohen Anforderungen bezüglich der Dimensions-, Form- und Lage-Toleranzen. Die Kontur der Zahnflanken ist dabei grundsätzlich beliebig, die für eine Flanke gewählte Form bestimmt aber die Form der Gegenflanke am Gegenrad. Weit verbreitet sind dabei Flankenformen wie die Evolventenverzahnung, die einfach herstellbar (und damit auch geometrisch einfach beschreibbar) sind.

Die Herstellung von Zahnrädern kann prinzipiell nach verschiedenen Verfahren erfolgen, für hochfeste, dichte Keramik kommt jedoch nur Schleifen mit Diamantwerkzeugen als Endbearbeitungsverfahren in Betracht, wobei man bislang mit technisch relevanten und kostenadäquaten Verfahren allenfalls Teile der Qualität 10 bis 12 herstellen konnte. Dieses Defizit hat FCT behoben und ist jetzt in der Lage, dem Markt hochpräzise Zahnräder aus den keramischen Hochleistungs-Werkstoffen Siliziumcarbid (SiC), Siliziumnitrid (Si3N4) sowie dem teilstabilisierten Zirkonoxid (ZrO2 bzw. Y-TZP) zu vertretbaren Kosten anzubieten. Die Wahl des am besten geeigneten Werkstoffes für eine spezielle Anwendung muss, wie es immer der Fall ist, in Abstimmung mit den anwendungsspezifischen Bedingungen und Beanspruchungen erfolgen.

Es ist prinzipiell möglich, Zahnräder „aus dem Vollen“, z.B. gesinterten keramischen Zylinderscheiben zu schleifen. Eine einfache Modellrechnung zeigt aber, dass ein solches Vorgehen unwirtschaftlich ist: Benötigt z.B. ein Zahnrad mit 24 Zähnen (Abb.1) pro Zahn etwa 30 Minuten Bearbeitungsdauer auf einer Präzisionsschleifmaschine bei einem Stundensatz von 150 Euro, so summieren sich die Bearbeitungskosten schnell auf rund 2000 Euro, wodurch die Teile zu teuer würden. Deshalb hat FCT mit seinen eigenen Entwicklungen einen anderen Ansatz verfolgt: Die gewünschte Verzahnungsform wird vor dem Sintern mit einem gewissen Aufmaß an Material vorkonturiert (so genannte Grünbearbeitung), da beim Sintern das Material schwindet. Mit einer fünf-achsigen Bearbeitungstechnologie ist dies so exakt gelungen, dass nach dem Sintern je nach Zahnrad-Größe nur noch ein allseitiges Übermaß von 0,2 bis 0,4 Millimeter vorliegt.

Neue Schleiftechnik

Die FCT-Entwickler haben gemeinsam mit einem Maschinenhersteller die konventionelle Technik zum Verzahnungsschleifen adaptiert und Schleifmittel entwickelt. Die Sinterlinge können nun in kürzerer Zeit in einem Bearbeitungsgang hochpräzise geschliffen werden, wobei sowohl gerade als auch schrägverzahnte Musterteile angefertigt worden sind. Bereits mit den ersten Mustern erreichten die Bearbeitungsexperten Qualitäten im Bereich Q 5-7, was den meisten Anforderungen im Maschinen- und Apparatebau genügt. Dies ist mit allen genannten Hochleistungs-Keramiken erzielbar, wobei das bisher bearbeitete Abmessungsspektrum Kopfkreis-Durchmesser von etwa zehn bis 220 Millimeter umfasst, was wiederum verschiedene neue Anwendungsmöglichkeiten öffnet. Die Bearbeitungsmaschinen und -technologien sind zur Fertigung größerer Stückzahlen geeignet, wodurch die Produkte preisgünstig hergestellt werden können.

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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