Stirnzahnräder und Zahnstangen K. Schmidt

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1 Produktschulung Stirnzahnräder und Zahnstangen K. Schmidt Gliederung Seite 1. Definition Verwendung, Wirkungsgrad Begriffe am Stirnzahnrad Evolventenverzahnung Herstellung Wärmebehandlung Nachbearbeitung Geradverzahnung 5 9. Schrägverzahnung Modul Bezugsprofil Diametral Pitch Verzahnungsqualität Achsabstand Flankenspiel, Spielfreiheit Profilverschiebung, Unterschnitt Auswahl / Dimensionierung Katalogangaben Befestigungsmöglichkeiten Innenzahnkränze Planetengetriebe Zahnstangen Härteverfahren Geschichte der Stirnzahnräder

2 1. Definition Das Maschinenelement Zahnrad (z.b. Stirnzahnrad, Kegelrad, Schneckenrad, Kettenrad, Zahnriemenrad, ) ist ein Rad mit über den Umfang gleichmäßig verteilten Zähnen. Stirnzahnrad: Stirnseitig verzahntes Rad, auch kurz Stirnrad genannt (außerdem werden Stirnzahnräder und andere, zumeist kleine Antriebsräder häufig als Ritzel bezeichnet). 2. Verwendung, Wirkungsgrad Zahnräder werden vorwiegend zur Übertragung einer Drehbewegung (mehrere Zahnräder im Eingriff)) oder zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung (Paarung eines Zahnrades mit einer Zahnstange) gebraucht. Zahnradtriebe sind formschlüssig, ohne Schlupf. Weitere Verwendung: Zum Beispiel als Impulsgeber (für ABS-Sensoren oder Taktung). Der Wirkungsgrad liegt pro Zahnradstufe bei ca. 98%. 3.1 Begriffe am Stirnzahnrad 2

3 3.2 Eingriffswinkel Das ist der Winkel, in dem die Eingriffsstrecke geneigt ist Dieser entspricht dem Flankenwinkel des Bezugsprofils. Üblich sind Evolventenverzahnung Bedeutendste Verzahnungsart für Stirnzahnräder, Kegelräder und Schneckenräder im Maschinenbau. Die Flanken der Zähne des Zahnrades werden von Evolventen gebildet. Eine Evolvente wird durch die Bahnkurve des Endpunkts eines straff gespannten Fadens, der von einem Zylinder abgewickelt wird, gebildet. Der Zylinderdurchmesser entspricht hierbei dem Grundkreis des Zahnrads 5. Herstellung 5.1 Spritzen aus Kunststoff + Preiswert bei großen Stückzahlen. + Glatte Oberfläche. + Sonderformen sind einfach zu realisieren. - Schlechte Verzahnungsqualität. - Lunkerstellen möglich. - aufwändige Herstellung der Spritzwerkzeuge. 5.2 Fräsen (aus Metallen, Kunststoff, Composit-Werkstoffen, ) Der Rohling wird vorgedreht und anschließend auf einer speziellen Verzahnungsmaschine verzahnt. + Wirtschaftlich auch bei Einzelstücken. + Vielseitigkeit (beliebige Zahnformen, Keilprofile Kettenradverzahnungen, Rasträder, etc.). + beliebige Schrägungswinkel möglich. + beliebige Verzahnungsbreiten möglich. + ununterbrochene Zerspanung ohne Rückhubbewegungen. + durch kontinuierliche Zerspanung günstige Kräfteverhältnisse und hohe Genauigkeit. + einfache Herstellung der Werkzeuge. + einfache Werkzeugeinstellung auf der Maschine. - Für jede Zahngröße (für jeden Modul) ist ein spezieller Fräser erforderlich. 3

4 5.3 Verzahnung stoßen Vor dem Verzahnen wird der Rohling vorgedreht. Beim Wälzstoßen drehen sich Werkzeug und Werkrad entsprechend ihren Zähnezahlen. Gleichzeitig führt das Schneidrad die zur Spanabnahme notwendige Hubbewegung in Achsrichtung aus. Während des Rückhubes (Leerhubes) wird das Schneidrad vom Werkrad abgehoben, um eine Kollision mit dem weiterwälzenden Verzahnungswerkstück zu vermeiden. Das zahnradförmige Werkzeug hat evolventenförmige Flanken. Anwendung: Für gerade und schräge Innen- und Außenverzahnung. + Einfaches, preiswertes Werkzeug. + Sehr kleiner Verzahnungsauslauf erforderlich. - Viele Werkzeuge erforderlich (das Werkzeug muss etwas weniger Zähne haben als das fertige Zahnrad haben soll. - Leerhub (Rückwärtsbewegung ohne spanende Funktion). - für linke und rechte Zahnschräge sind unterschiedliche Stößel-Führungskurven und Werkzeuge erforderlich. 5.4 Verzahnung hobeln Vor dem Verzahnen wird der Rohling vorgedreht. Das zu verzahnende Werkstück wälzt sich an dem Hobelwerkzeug ab. Die Schnittbewegung wird vom Werkzeug ausgeführt. Während des Hobelns bewegt sich das Werkstück nicht. Beim Rückhub wird das Hobelwerkzeug abgehoben. Wenn ein Zahn fertigbearbeitet ist, wird das Werkstück um eine Zahnteilung gedreht. Das Werkzeug ist ein Verzahnungsteil, dessen Flanken nach hinten freigearbeitet sind. Es wird als Schneidkamm bezeichnet. Anwendung: Geeignet für Gerad- und Schrägverzahnungen für relativ große Abmessungen. + Einfaches, preiswertes Werkzeug. + genaue Flankenform. - Leerhub. - keine Innenverzahnung möglich. 5.5 Verzahnung sintern Das komplette Rad wird aus Metallpulver unter hoher Temperatur und hohem Druck gesintert. 1. Schritt: Mischen des Metallpulvers. 2. Schritt: In Form Pressen des Metallpulvers. 3. Schritt: Während des anschließenden Sinterns unterhalb des Schmelzpunktes der Legierungselemente (im Temperaturbereich zwischen 1100 C und 1300 C) schmilzt das Pulver nicht, sondern es werden die Pulverpartikel durch Diffusion verbunden. Im direkten Anschluss an das Sintern kann auch eine Härtung "aus der Sinterhitze" heraus erfolgen. 4. Schritt: Durch Kalibrieren und Prägen wird sowohl die Maßgenauigkeit als auch die Dichte erhöht und die Oberflächenrauigkeit des Sinterteils verbessert. Auch eine anschließende Wärmebehandlung zur Steigerung der Härte ist möglich. 4

5 + Preiswert bei großen Stückzahlen. + Glatte Oberfläche + Sonderformen sind einfach zu realisieren. - Schlechte Verzahnungsqualität - aufwändige Herstellung der Sinterwerkzeuge 6. Wärmebehandlung Durch nachträgliches Härten kann die Zahnflankentragfähigkeit enorm erhöht werden. Auch die Zahnfußfestigkeit wird dadurch erhöht. Damit können höhere Drehmomente übertragen werden. Detaillierte Beschreibung der verschiedenen Härteverfahren: Siehe Seite 13. Stirnräder aus Automatenstahl 11SMnPB30 können nitriert werden. Stirnräder aus C45 und 42CrMo4 können gut induktiv gehärtet werden. Stirnräder aus 16MnCr5 können gut einsatzgehärtet werden. Häufig werden diese Räder werden anschließend geschliffen, um eine glatte und profilgetreue Oberfläche zu erreichen. 7. Nachbearbeitung (Fertigbearbeitung) Grundsätzlich können alle Katalogräder, die nicht gehärtet sind, nachgearbeitet werden. Mögliche mechanische Nachbearbeitungen: z.b. Bohrung vergrößern, Passfedernut einbringen, Feststellgewinde einbringen, Zahnscheibe schmaler drehen, Nabendurchmesser verkleinern, Nabe kürzen oder ganz abdrehen. Hinweis: Wenn bei Zahnrädern nach dem Verzahnen die Bohrung vergrößert oder eine Planfläche abgedreht wird, verschlechtert sich dadurch der Rundlauf bzw. Planlauf. Weitere mögliche Nachbearbeitungen: z.b. Oberflächenbeschichtungen (bei Rädern aus nicht-rostfreien Stählen): Verzinken / Chromatieren. Verchromen. Brünieren. Phosphatieren. 8. Geradverzahnung (a) Die Zähne stehen parallel zur Achsrichtung (Schrägungswinkel = 0 Grad). 5

6 9.1 Schrägverzahnung (b) Die Zähne stehen in einem Winkel zur Achsrichtung (Schrägungswinkel größer 0 Grad). Achtung: Bei Schrägverzahnung treten Kräfte in axialer Richtung auf. Diese müssen durch die Lagerung aufgenommen werden und verschlechtern den Wirkungsgrad. Bei Schrägverzahnung sind Teilkreisdurchmesser, Außendurchmesser und Achsabstand größer als bei gerader Verzahnung mit gleichem Modul und gleicher Zähnezahl. Bei Schrägverzahnung müssen beide Räder bzw. Rad und Zahnstange entgegengesetzte Schrägungsrichtung haben (ein Rad rechtsteigend, ein Rad linkssteigend). Merkhilfe: Wenn man das Rad flach auf den Tisch legt, sieht man die Steigungsrichtung: Beispiel linkssteigendes Rad: 9.2. Doppel-Schrägverzahnung Durch eine Doppelschrägverzahnung (Pfeilverzahnung) heben sich die Axialkräfte gegenseitig auf. 9.3 Schraubradgetriebe Zwei Stirnzahnräder mit gleichem Schrägungswinkel und gleicher Schrägungsrichtung laufen auf gekreuzten Achsen. Das übertragbare Drehmoment ist sehr gering weil sich die Zahnflanken nur punktförmiger berühren. 6

7 10. Modul Der Modul m ist ein Grundmaß zur Errechnung der Zahngröße und weiterer Verzahnungsmaße. Module sind genormt nach DIN 867 in Größen von 0,3 bis 75mm. 11. Bezugsprofil Bezugsprofile sind genormt nach DIN 867. Häufig verwendet wird BP II. Dabei ist das Kopfspiel 0,25 mal Modul. Die gesamte Zahnhöhe ist 2,25 mal Modul. 12. Diametral Pitch Im zölligen System sind die Verzahnungsmaße auf Zollmaße bezogen (1 Zoll = 25,4mm). Entgegen der Modulgrößen nach DIN 867 sind bei Diametral Pitch die Zahngröße und die Größenbezeichnung gegenläufig. Je größer die Bezeichnung, um so kleiner ist die Zahngröße: DP 1 = Modul 25,4 DP 25,4 = Modul 1 DP 50,8 = Modul 0, Verzahnungsqualität Nach DIN 3961 gibt es 12 Verzahnungsqualitäten, die mit unterschiedlichen Fertigungsmethoden erreicht werden können. Qualität 1 ist die feinste und Qualität 12 die gröbste Verzahnungsqualität. Qualitäten bei verschiedenen Fertigungsmethoden: Qualität 1-6 gehont. Qualität 2-7 geschliffen. Qualität 5-7 geschabt, (kaltgewalzt). Qualität 5-9 wälzgefräst, wälzgehobelt, wälzgestoßen. Qualität 7-12 formgefräst, formgestoßen. Qualität 8-12 gestanzt, gepresst, gesintert, gespritzt Angabe der Verzahnungsqualität - Beispiel 8 d 25: 8 ist die allgemeine Angabe der Verzahnungsqualität nach DIN Die dahinterstehenden Toleranzen für Profilabweichungen (in Form und Winkel usw.), Teilungsabweichungen, Rundlaufabweichung und Zahndickenschwankung sind in DIN 3962 beschrieben. d steht für die Lage des oberen Zahndicken-Abmaßes (Werte siehe DIN 3967) 25 steht für den Toleranzbereich des Zahndickenabmaßes (Werte siehe DIN 3967). 7

8 13.3 Verzahnungsprüfung Die vollständige Prüfung erfolgt sinnvollerweise auf einer Verzahnungsprüfmaschine. Manuell kann z.b. die Zahnweite geprüft werden. Dabei wird die Breite über eine bestimmte Anzahl Zähne geprüft (die Anzahl ist abhängig von der Zähnezahl des Rades). Das Sollmaß kann vom Kunden vorgegeben und/oder errechnet werden. 14. Achsabstand Der theoretische (rechnerische) Achsabstand muss relativ genau eingehalten werden, damit das Flankenspiel weder zu klein noch zu groß ist. Achsabstände sind genormt nach DIN Richtwerte: +/- 0,03mm für Achsabstände bis 40mm +/- 0,04mm für Achsabstände bis 100mm +/- 0,05mm für Achsabstände bis 250mm +/- 0,07mm für Achsabstände über 250mm Bei geradverzahnten Stirnrädern ohne Profilverschiebung (geradverzahnte Katalogräder, für sogenannte Null-Getriebe ) kann der Achsabstand einfach aus dem Modul und den Zähnezahlen der beiden Räder errechnet werden: Achsabstand = Achtung: Bei Profilverschiebung oder Schrägverzahnung ändert sich der Achsabstand im Vergleich zum Null-Getriebe. Daher muss dort mit den Wälzdurchmessern gerechnet werden. 8

9 15.1 Flankenspiel Flankenspiel ist erforderlich, damit Rundlaufabweichungen und Temperaturschwankungen ausgeglichen werden können und als Platz für Schmiermittel zu lassen. Das Flankenspiel ergibt sich aus Modul, Durchmesser (Zähnezahl) und Verzahnungsqualität beider Räder. Es lässt sich einfach mit Stirnzahnrad-Berechnungsprogrammen errechnen und mittels Fühlerlehre messen. Typische Flankenspiele für Qualität 8: Modul 0,3 bis 0,7: ca. 0,05mm. Modul 1,0 bis 2,5: ca. 0,10mm. Modul 3,0 bis 4,0: ca. 0,20mm. Modul 5,0 bis 8,0: ca. 0,30mm Spielfreiheit Absolute Spielfreiheit bedeutet: keinerlei Flankenspiel. Dies ist aber nur durch elastisch vorgespannte Zahnräder zulässig (weil ein Ausgleich von Rundlaufabweichungen und Temperaturschwankungen möglich sein muss). Wenn bei einem Zahnstangentrieb das Flankenspiel stark verringert oder sogar auf Null gebracht wird, kann es zu einem weiteren Problem kommen: Das Rad kann in der Zahnstange "klemmen". Bei einem solchen Fall muss beim Zahnrad eine Kopfkürzung vorgenommen und bei den Zahnstangen die Kopfkanten stark angefast werden. Beispiel für ein geteiltes, vorgespanntes Stirnzahnrad: 16.1 Profilverschiebung Beim Herstellen wird das Werkzeug um Betrag x Modul vom Teilkreis abgerückt oder hingerückt und auf diesem abgewälzt. Der Teilkreisdurchmesser (Bezugskreisdurchmesser) bleibt unverändert. Der Wälzkreis ist aber größer (bei positiver Verschiebung) oder kleiner (bei negativer Verschiebung) als der Teilkreis. Nullräder (Katalogräder) bzw. Nullgetriebe haben keine Profilverschiebung. V-Nullgetriebe bestehen aus einem Rad mit positiver und einem Rad mit negativer Profilverschiebung. Die Profilverschiebungen sind dabei aber gleich groß. 9

10 V-Getriebe: Die Profilverschiebung sind ungleich 0 Abbildung: Mittig: Ohne Profilverschiebung (a). Links: Positive Profilverschiebung (b). Rechts: Negative Profilverschiebung (c). Gründe für Profilverschiebung: Wenn ein konstruktiv bedingter Achsabstand erreicht werden muss Höhere Tragfähigkeit durch positive Verschiebung (Ritzel möglichst V-Plus-Rad) Hoher Überdeckungsgrad durch negative Verschiebung für gleichförmigen und ruhigen Lauf Durch bestimmte Aufteilung (x1 und x2) kann annähehrend gleiche Tragfähigkeit erreicht werden in beiden Rädern 16.2 Unterschnitt Wenn Stirnzahnräder mit weniger als 15 Zähnen die Standard-Zahnform hätten, würden beim Null-Achsabstand der Zahnkopf des einen Rades gegen den Zahnfuß des Gegenrades stoßen. Um dies zu vermeiden, sind die Katalogzahnräder mit weniger als 15 Zähnen unterschnitten (am Zahnfuß schmaler). 17. Auslegung / Dimensionierung von Stirnzahnrädern Hauptkriterien: Drehmoment. Drehzahl. Lebensdauer. Übersetzung. Hauptabmessungen (Achsabstand, Durchmesser, Breite). Weitere Kriterien: Einsatztemperatur. Schmierung. Eventuelle Werkstoffvorgaben (z.b. Rostfrei vorgeschrieben). Preis (z.b. Katalogartikel auswählen statt Sonderanfertigung). Die Berechnung eines Stirnradsatzes erfolgt sinnvollerweise mittels eines Berechnungsprogramms. Übliche Berechnungsprogramme erfordern relativ viele Eingaben. Dafür werden aber auch zusätzlich interessante Werte wie Achsabstand, Achsabstandstoleranz und Daten für die Zahnweitenmessung ausgegeben. Erforderliche Sicherheiten (Empfehlung nach DIN ): Zahnfußsicherheit (gegen Bruch) mindestens 1,4. Zahnflankensicherheit (gegen Verschleiß) mindestens 1,0. 10

11 Hinweise: a) Die im Katalog angegebenen Drehmomente sind Maximalwerte für einen ganz bestimmten Anwendungsfall (z.b. Übersetzung 1:1, Umfangsgeschwindigkeit 10m/s, ausreichende Schmierung, Dauerfestigkeit Stunden). Wenn die Zahnräder wesentlich langsamer laufen, kann das Drehmoment deutlich erhöht werden. b) Wenn Berechnungen für einen Kunden durchgeführt werden, geschieht dies bei Mädler kostenlos. Dabei muss unbedingt (z.b. auf dem Angebot) vermerkt werden, dass die Berechnung für den Kunden kostenlos durchgeführt wurde und ohne jegliche Gewähr ist. 18. Katalogangaben gefräste Zähne: Siehe Absatz 5. Eingriffswinkel 20 : Siehe Absatz 3.2. gerade verzahnt: Siehe Absatz 8 und 9. zul. MD: Siehe Absatz 17. Verzahnungsqualität 8 d 25: Siehe Absatz Befestigungsmöglichkeiten Zur Befestigung von Antriebsrädern (Kettenrädern, Keilriemenscheiben, Zahnriemenrädern, Stirnzahnrädern usw.) bzw. Naben auf Wellen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten. Die meisten Räder werden mit einer relativ kleinen Bohrung bevorratet, um eine entsprechende Weiterbearbeitung zu ermöglichen. Bearbeitungen wie Aufbohren, Nuten usw. sind gegen Mehrpreis möglich. Bitte beachten: Kettenräder, Keilriemenscheiben, Stirnzahnräder und Schneckenradsätze sind zum Teil in einbaufertiger Ausführung fertig gebohrt und genutet oder für Taper- Spannbuchse für verschiedene Wellendurchmesser vorrätig. Verstiften Nabe und Welle werden durchbohrt und mit einem Passstift miteinander verbunden. Üblicherweise wird nur eine Nabenhälfte vorgebohrt, das Rad auf die Welle gesteckt und dann die Nabe zusammen mit der Welle durchgebohrt. Anschließend wird der Stift eingetrieben. Diese Befestigungsart ist für geringe Drehmomente geeignet. Passfeder-Verbindung Welle und Nabe werden jeweils mit einer Nut versehen. In die Wellennut wird eine Passfeder eingelegt. Das Rad wird aufgeschoben und gegen axiales Verschieben gesichert (mittels Feststellschraube oder mittels Wellenabsatz und Axialschraube und Scheibe an der Stirnseite der Welle). Die gebräuchlichste Nutform ist DIN 6885/1. Passfederverbindungen sind geeignet für mittlere Drehmomente. Spannsätze, Spannbuchsen und Schrumpfscheiben Spannsätze und dünnwandigere Spannbuchsen sind für viele verschiedene Durchmesser lieferbar und ermöglichen eine einfache und schnelle Montage auf runden Wellen. Eine Nut ist nicht erforderlich. Schrumpfscheiben sind spezielle Spannsätze, die eine dünnwandige Nabe auf die Welle pressen. Spannverbindungen sind geeignet für relativ hohe Drehmomente. 20. Innenzahnkränze Herstellung: Normalerweise gestoßen. Verwendung: Für ein einstufiges Getriebe. Dabei darf das innen laufende Zahnrad nicht größer sein als das Stoßwerkzeug bei der Herstellung. Für Planetengetriebe und deren Abwandlungen. Als Zahnkupplung, zusammen mit einem Zahnrad gleicher Zähnezahl (bei Einhaltung der Fertigungstoleranzen muss das immer passen aufgrund der Lage und Toleranz der Zahndicken-Abmaße. 11

12 21. Planetengetriebe Eine Sonderbauart des Stirnradgetriebes ist das Planetengetriebe. Es heißt so, weil es in seiner Arbeitsweise an ein Planetensystem erinnert: Die Planetenräder kreisen um das Sonnenrad. Wenn An- und Abtrieb über Sonnenrad und Hohlrad (=Innenzahnkranz) erfolgen, haben die Zwischenräder keinen Einfluss auf das Übersetzungsverhältnis. Allerdings könnten auch Sonnenrad oder Hohlrad feststehen und An- oder Abtrieb über den Planetenträger erfolgen. + Platzsparende Bauweise. + Hohe Übersetzungsverhältnisse. + Hohe Drehmomente. + Koaxiale An- und Abtriebswelle. - Hoher Konstruktionsaufwand. - Hoher Montageaufwand. 22. Zahnstangen Eine Zahnstange verhält sich wie ein Zahnrad mit unendlich großem Radius. Ein Zahnstangentrieb wird zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine Längsbewegung verwendet (oder auch umgekehrt). Der Antrieb kann wahlweise über das Rad oder über die Zahnstange erfolgen. Bei der Zahnstange sind die Zahnflanken plan (nicht evolventenförmig). Der Neigungswinkel der Flanke entspricht dem Eingriffswinkel der Verzahnung: Rechteckige Zahnstangen können aneinandergereiht montiert werden: Fortlaufende Verzahnung Dabei muss mit Lücke ausgerichtet und montiert werden. Dies ist mit einem Gegenstück einfach zu machen. (Katalogartikel ab Modul 2 mit Ausnahme Länge 500mm und mit Länge 1.000mm sind für fortlaufende Montage abgelängt). Anstoßverzahnung wird ohne Lücke montiert. Dazu müssen an den beiden Enden, die zusammenstoßen sollen, die Zähne abgefräst werden bis genau zur Mitte der nächsten Zahnlücke (gegen Mehrpreis möglich). Die Befestigung kann durch Verschraubung erfolgen (Durchgangslöcher oder Gewindelöcher gegen Mehrpreis) oder bei Stahl durch anschweißen. Rundzahnstangen werden normalerweise nicht aneinandergereiht. Rundzahnstangen können z.b. in Gleitlagerbuchsen gelagert werden, um eine Linearbewegung zu ermöglichen. 12

13 23. Wärmebehandlung Härten Zweck des Härtens und Vergütens ist, dem Stahl eine Eigenschaftskombination von Härte und Zähigkeit zu geben. Beim Härten wird der Stahl auf eine für ihn angepasste Temperatur erwärmt und anschließend in Öl, Wasser oder Luft abgeschreckt. Anlassen Unter Anlassen versteht man ein Wiedererwärmen nach dem Abschrecken. Dies geschieht bei Temperaturen zwischen 150 und 300 C. Durch das Härten werden innere Spannungen erzeugt. Alle richtig abgeschreckten Teile sind sehr hart. Zum Gebrauch benötigen sie eine gewisse Zähigkeit damit sie nicht schon durch einfaches Anstoßen zerbrechen. Durch das Anlassen werden diese Spannungen abgeschwächt, wobei ein geringer Härteverlust die Folge ist. Vergüten Das Vergüten ist ebenfalls ein Wiedererwärmen nach dem Härten, jedoch geschieht dies bei Temperaturen zwischen 450 und 650 C in Abhängigkeit der späteren Verwendung. Durch das Vergüten sollen Konstruktionsstähle folgende Eigenschaften bekommen: Höhere Streckgrenze d.h. höhere zulässige Spannung oder eine höhere Zähigkeit. Die Wahl dieser Eigenschaften hängt von der Höhe der Temperatur ab. Für spezielle Konstruktionen mit diesen erforderlichen Eigenschaften verwendet man Vergütungsstähle nach DIN Aufkohlen (Einsatzhärten) Zum Einsatzhärten verwendet man kohlenstoffarme Stahlsorten. Der Stahl befindet sich hierbei in einem Kohlenstoff abgebenden Medium (zumeist Salzbad, Gas oder Pulver). Bei einer Temperatur von über 900 C diffundiert Kohlenstoff in die Außenseite des Stahls, so dass eine härtbare Schicht entsteht (je nach Dauer der Aufkohlung bis zu 3mm Tiefe). Nach dem Abschrecken entsteht somit eine harte, verschleißmindernde Oberfläche und eine hohe Zähigkeit im Kern. Für spezielle Konstruktionen mit diesen erforderlichen Eigenschaften verwendet man Einsatzstähle nach DIN Nitrieren In die Stahloberfläche diffundiert während des Glühprozesses bei ca C in einem Stickstoff abgebenden Medium Stickstoff ein. Je nach Art des Nitriermittels wird zwischen Gas, Salzbad Plasma und Pulvernitrieren unterschieden. Auf Nitrierprozesse sind verschiedene Varianten möglich, welche den Schichtcharakter bestimmen. Karbonitrieren Hierbei tritt eine Aufnahme von Stickstoff und Kohlenstoff ein wobei der Kohlenstoff das dominierende Medium ist. Die Arbeitstemperatur liegt bei ca. 750 C. Es werden Schichtdicken von ca. 0,2mm erreicht. Dieses Verfahren wird häufig bei unlegiertem Stahl angewandt. Nitrokarbonieren Hierbei tritt eine Aufnahme von Stickstoff und Kohlenstoff ein, wobei der Stickstoff das dominierende Medium ist. Die Nitrierschicht besteht anschließend aus zwei Zonen. Eine sehr harte Außenschicht ca. 0,02mm und darunter eine noch härtere Schicht von ca. 0,2mm. Dieses Verfahren wird auch häufig als Nikotieren, Tenifieren, Cyanieren und Pulvernitrieren bezeichnet. Plasmanitrieren Hierbei wird das Nitriergas unter Einfluss eines elektrischen Feldes elektrisch leitend. Die in einer Retorte aufgehängten Werkstücke wirken hierbei als Kathode. Durch Stoßenergie dringen die entstandenen Stickstoff-Ionen (Plasma) in die Stahloberfläche ein. Das führt zu besten Ergebnissen bei Dicke, Härte und Homogenität der Nitrierschicht. Badnitrieren Das Badnitrieren wird in einer Salzschmelze durchgeführt. Im Salzbad diffundiert der darin enthaltene Stickstoff in die Werkstückoberfläche ein. Durch die niedrigen Arbeitstemperaturen von ca. 580 C tritt nur eine sehr geringe Maßänderung auf. Reingasnitrieren Durch den Stickstoffspender Ammoniakgas werden Härtetiefen bis 0,4mm erreicht. Der Vorgang ist nur bei legierten Stahlsorten anwendbar und dauert mehrere Tage. Vakuumhärten Dieses Verfahren wird häufig dann angewandt, wenn bei den Werkstücken eine hohe Oberflächenqualität gefordert wird. Durch das Fehlen von Sauerstoff bleibt die Oberfläche blank. Nach dem Austenitisieren in Vakuum wird unter starkem Druck Stickstoff durch die Charge geblasen und durch Kühlkanäle wieder zurückgeführt. In dieser Weise können abkühlkritische Stahlsorten in der Vakuumretorte selbst gehärtet werden. Man kann auch nach dem Erhitzen im Vakuum die Aktivgase hinzuführen, die man zum Aufkohlen oder Nitrieren braucht. 13

14 Schutzgashärten In Spezialöfen mit hitzebeständigen Retorten wird ein Schutzgas eingebracht, das sich neutral gegenüber dem Stahl verhält und somit die Oberfläche vor Erosion und Verzunderung schützt. Hier können genauso Gase eingeführt werden, die man zum Aufkohlen oder Nitrieren braucht. Wirbelbett-Öfen Bezüglich der Wärmeübertragung sind diese Öfen mit Salzbadöfen vergleichbar, jedoch wird hier das Medium Aluminium- Oxidpulver eingesetzt, das durch viele kleine Bohrungen im Boden der Retorte mit Luft durchströmt wird. Das auf die erforderliche Temperatur erhitzte Aluminium-Oxidpulver gerät in schnelle Bewegung und durchflutet somit das gesamte Werkstück. Bei diesem Verfahren entfällt das Abspülen von Salzrückständen. Hier können auch Gase durchgeführt werden, die man zum Aufkohlen oder Karbonitrieren braucht. Borieren Dieser thermochemische Prozess ist mit dem Aufkohlen in Kästen verwandt indem mit 900 C in Borid abgebenden Mitteln geglüht wird. Hierbei entstehen sehr harte Oberflächenschichten mit einer Tiefe bis zu 0,1mm. Angewandt wird dieses Verfahren bei unlegierten und schwach legierten Stahlsorten. Altern Um träge Änderungen in der Feinstruktur zu vermeiden wird der gehärtete Stahl lange Zeit ( Stunden) auf eine Temperatur von ca. 120 C gehalten - mit zwischenzeitlicher Abkühlung in kaltem Wasser. Flammenhärten Hierbei wird die Stahloberfläche mit einem Brenner schnell auf die Härtetemperatur gebracht. Danach erfolgt ein Abschrecken mit kräftigen Brausen. Die Härtetiefe liegt hierbei zwischen 2 und 10mm. Der behandelte Stahl sollte genügend Kohlenstoff enthalten. Der Vorteil bei diesem Verfahren liegt unter anderem darin, dass ein Werkstück auch partiell gehärtet werden kann. 24. Geschichte der Stirnzahnräder Bei den altägyptischen Göpeln findet man die älteste Form des Zahnrades, ein Holzrad, in dessen Umfang man Pflöcke hineinstreckte. Die Rolle war bereits bei den Assyrern in Gebrauch und wurde von den Ägyptern übernommen, die Verbindung dieser Rollen mittels Seil führte zum bekannten Flaschenzug. Eine direkte Verbindung dieser Rollen wurde bereits 330 v. Chr. von Aristoteles erwähnt, gesichert ist die Anwendung von Zahnrädern bei Heron von Alexandria, überliefert durch Vitruv. Ktesibios verwendete um 250 v. Chr. an seiner Wasseruhr einen Stab, der mit Zahnrädchen besetzt war, ebenso Philon von Byzanz um 230 v. Chr. an zwei Apparaten Zahnräder. Das heute bedeutendste Artefakt für die Anwendung von Zahnrädern in der Antike ist der Mechanismus von Antikythera von ca. 100 v. Chr. Seit dem 9. Jahrhundert erfolgte in Europa der Einsatz von Zahnrädern in Wassermühlen, ab dem 12. Jahrhundert auch in Windmühlen. In Manuskripten Leonardo Da Vincis finden sich um 1500 Zahnräder in verschiedenen Anwendungen. Georgius Agricola gab 1556 in seiner Schrift De re metallica libri XII erstmals den Einsatz von Zahnrädern aus Eisen an. Anfangs wurde wenig auf die geeignete Form der Zähne geachtet. Nach Angaben von Christiaan Huygens und Gottfried Wilhelm Leibniz empfahl der dänische Astronom Ole Rømer um 1674 die Epi-Zykloïde als Zahnform. Vermutlich war er beim Bau seiner Planetarien, z.b. Jovilabium an der Pariser Academie des Sciences darauf gekommen. Schriftliche Belege dafür gibt es nicht mehr. Eine erste gründliche mathematische Untersuchung dieser Zahnräder beschrieb das Akademiemitglied Philippe de la Hire ( ) um 1694 Traite des epicycloides (erschienen 1730). Diese epizykloidische Zahnform sichert eine gleichförmige Bewegung der Zahnräder bei gleichmäßiger Gleitreibung. Diese wurden gezielt in Uhrwerken eingebaut entwickelte John Smeaton eine eigene Form, gefolgt von Leonhard Euler, der 1760 die Evolvente für die Zahnform vorschlug. Die Entwicklung der Dampfmaschine im 18. Jahrhundert führte zu einem steigenden Bedarf an Zahnrädern, da die zu übertragende Leistung kontinuierlich stieg und Zahnräder aus Metall anstatt wie bisher aus Holz gefertigt werden mussten erfand Joseph Woollams die Schrägverzahnung und Pfeilverzahnung (Doppelschrägverzahnung) (englisches Patent Nr vom 20. Juni 1820), James White baute 1824 daraus ein Differentialgetriebe stellte Clavet eine Zahnhobelmaschine her, da der Werkzeugmaschinenbau ab dem 19. Jahrhundert eine steigende Genauigkeit der Verzahnungen erforderte. Die erste brauchbare Maschine zum Fräsen geradverzahnter Stirnräder baute 1887 G. Grant entwickelte H. Pfauter daraus eine universale Maschine, mit der sich auch Schneckenund Schraubräder fertigen ließen. 14