Das Zahnrad: Definition und Geschichte

Posted by NetBid on Oct 17, 2018 3:10:37 PM

Zahnräder werden bereits seit vielen Hunderten von Jahren als Form der Kraftübertragung verwendet und sind noch heute entscheidende Maschinenelemente, ohne die kein reibungsloser Ablauf stattfinden würde. Ganz vereinfacht gesagt, ist das Zahnrad ein Rad mit gleichmäßig über den Umfang verteilten Zähnen, die in einem Zahnradgetriebe ineinandergreifen und damit bei der Drehung Kraft übertragen. Das Verfahren wurde schon von den Alten Ägyptern mehrere hundert Jahre vor Christus entdeckt und genutzt, zum Beispiel als simpler Flaschenzug. Später wurde das Prinzip dann für Wind- und Wassermühlen entdeckt – heute findet es auch in ausgeklügelten und hochtechnischen Maschinen Einsatz und bildet unter den üblichen Getriebearten die größte Gruppe.

Folgende Arten des Zahnrades sind heute gängig:

  • Ellipsenrad
  • Kegelrad
  • Kronenrad
  • Schneckenrad
  • Stirnrad
  • Zahnstange

Dabei finden sich diese Verzahnungsarten:

  • Evolventenverzahnung
  • Triebstockverzahnung
  • Wildhaber-Novikov-Verzahnung
  • Zykloidenverzahnung

Die Herstellung von Zahnrädern

Die Fertigung von Zahnrädern ist ein kompliziertes Verfahren und wird auf drei unterschiedlichen Wegen erreicht. Das ist erstens das Zerspanen, zweitens das Urformen und drittens das Umformen. Auf alle drei Herstellungsarten gehen wir im Folgenden näher ein.

  1. Das Zerspanen

Bei der industriellen Fertigung von Zahnrädern steht das zerspanenden Verfahren im Mittelpunkt, denn es bietet eine sehr viel höhere Präzision und Festigkeit. Es wird dabei zwischen zwei Verfahren unterschieden, zum einen gibt es das Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide und zum anderen das Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide. Zum ersten gehören zum Beispiel das Freiform- oder 5-Achs-Fräsen, das Profilräumen oder Profilfräsen sowie das Wälzhobeln, das Wälzfräsen, das Wälzstoßen und das Wälzschälen. Auch das Schaben gehört zum Zerspanen mit geometrisch bestimmter Schneide. Zum zweiten hingegen zählen das Honen, das Läppen und das Wälz- und Profilschleifen.

Profilfräsen und Profilschleifen: Hierbei wird eine große Zahl an Werkzeugen bei der Herstellung angewendet, da die exakte Form der Flanke des Zahns konstruiert werden muss. Teils muss auch die Schleifscheibe erst in die korrekte Form gebracht, d.h. abgerichtet werden. Alle Profilverfahren fertigen Zahnräder im Teilverfahren – nach der Fertigung einer Zahnlücke wird das Werkrad weitergestellt.

Wälzverfahren: Hierbei wird die zu fertigende Zahnflanke abgewälzt, im Gegensatz zum oben genannten Verfahren erfolgt der Materialabtrag hier kontinuierlich auf einer Linie.

Freiform- bzw. 5-Achs-Fräsen: Diese Form der Herstellung rentiert sich vor allem bei kleinen Stückzahlen oder bei der Fertigung von Einzelteilen. Zum Einsatz kommen unprofilierte Werkzeuge für Vollhartmetall, die unabhängig von den Verzahnungsdaten des zu bearbeitenden Werkstücks funktionieren.

  1. Das urformende Fertigungsverfahren

Im Gegensatz zu den spanenden Verfahren ist sowohl das ur- als auch das umformende Herstellungsverfahren weniger von Belang und spielt eine eher untergeordnete Rolle. Beim Urformen wird ein Zahnrad durch Sintern oder Gießen gefertigt. Werden die Zahnräder aus Kunststoff hergestellt, kommt ein Spritzgießverfahren zum Einsatz. Müssen nur kleine Drehmomente übertragen werden, wie zum Beispiel bei der Feinwerktechnik, dann ist das Urformverfahren eine gute Alternative zum Zerspanen. Ganz kleine Zahnräder können hingegen auch geätzt oder aber galvanisch gefertigt werden.

  1. Das umformende Verfahren

Weniger genau sind die umformenden Verfahren, zu denen beispielsweise das Pressen, Schmieden, Stanzen oder Walzen gehören. Mit diesem Verfahren hergestellte Zahnräder finden ihre Verwendung häufig in großtechnischen Anlagen wie z. B. im Fahrzeugbau.

Strapazierfähige Herstellung für einen langlebigen Einsatz

Nach der Fertigung (auch Verzahnen genannt) der Zahnräder werden diese meistens noch nachbehandelt, um sie vor einem zu großen Verschleiß bei der späteren (Dauer)Nutzung zu schützen. Durch eine Wärmebehandlung und ein Härtungsverfahren halten Zahnräder deutlich länger und sind auch höheren Belastungen gegenüber einsatzfähig. Hier wird zudem der bei der Nutzung möglichen Grübchenbildung vorgebeugt. Allerdings gibt es auch Nachteile bei der Wärmebehandlung, denn hier kann es unter Umständen zu Härteverzug kommen – in dem Fall müssen die Zähne in einem weiteren Nachbearbeitungsschritt durch Schleifen auf die geforderte Qualität gebracht werden.

Zahnradherstellung heute

Zahnräder als essenzielle Elemente von Maschinen werden heute vor allem rechnerunterstützt mithilfe von CAD konstruiert. Dabei werden 2 oder 3D-Zeichnungsdaten und entsprechende Datenblätter benötigt. Eine speziell für diese Fertigung entwickelte Software stellt höchstpräzise und sauber verarbeitete Zahnräder für den jeweiligen Einsatzort her.

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