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Verzahnen - Bestimmungsgrößen und Benennungen

Zylinderräder

Spanende Verzahnungsfertigung

Auszug aus

Handbuch Spanen

Herausgeber: Günter Spur
10/2014, 1392 Seiten, € 299,99
ISBN: 978-3-446-42826-3
Seiten 935-946

Zylinderräder (Stirnräder) sind Zahnräder, bei denen die Verzahnung auf der Mantelfläche eines zylindrischen Grundkörpers angeordnet ist. Bei Rädern für eine gleichförmige Bewegungsübertragung sind die Grundkörper Kreiszylinder. Räder für nicht gleichförmige Bewegungsübertragung besitzen z.B. elliptische Zylinder, Räder für Durchflussmesser ovale Zylinder als Grundkörper. Zylinderräder können außen- oder innenverzahnt (Hohlräder) ausgeführt werden.

Zylinderräder (Stirnräder) sind Zahnräder, bei denen die Verzahnung auf der Mantelfläche eines zylindrischen Grundkörpers angeordnet ist. Bei Rädern für eine gleichförmige Bewegungsübertragung sind die Grundkörper Kreiszylinder. Räder für nicht gleichförmige Bewegungsübertragung besitzen z.B. elliptische Zylinder, Räder für Durchflussmesser ovale Zylinder als Grundkörper. Zylinderräder können außen- oder innenverzahnt (Hohlräder) ausgeführt werden.

Abbildung 16.6 zeigt ein schrägverzahntes Zylinderrad sowie wichtige Bestimmungsgrößen und Benennungen. Kreisteilung, Zahndicke, Lückenweite und Schrägungswinkel sind auf dem Bezugskreis bzw. Bezugszylinder definiert. Bei einer abweichungsfreien Verzahnung fallen die Verzahnungsachse (das ist die Achse des Grundzylinders) und die Radachse zusammen. Das Stirnschnittprofil (Zahnform) einer zylindrischen Verzahnung ergibt sich als Schnittlinie einer Flanke mit einer Ebene senkrecht zur Verzahnungsachse. Als Stirnschnittprofil ist die Kreisevolvente am weitesten verbreitet.

16.6 Bestimmungsgrößen an Stirnradverzahnungen

Die Gründe dafür sind:

  • Die Bezugsprofile von Werkstück und Werkzeug sind geradflankig; dies führt zu einfachen Verzahnwerkzeugen, sofern diese im Wälzverfahren arbeiten.
  • Evolvente nverzahnte Zylinderräder mit gleichem Bezugsprofil bilden Satzräder. Satzräder sind nach Reuleaux Räder gleicher Teilung, die einen Satz bilden, aus dem beliebige Räder zu einem einwandfrei zusammenlaufenden Paar vereinigt werden können. Rad und Gegenrad können im Falle von Außenverzahnung mit demselben Werkzeug gefertigt werden.
  • Zum Bearbeiten von Rädern, die sich nur in der Profilverschiebung unterscheiden, ist nur ein Werkzeug erforderlich.
  • Der Achsabstand kann in weiten Grenzen verändert werden, ohne das kinematische Verhalten des Getriebes zu beeinflussen.

Tabelle 16.1 zeigt die wichtigsten voneinander unabhängigen Bestimmungsgrößen evolventenverzahnter Zylinderräder und Bestimmungsobjekte, das sind die aus den Bestimmungsgrößen abgeleiteten Elemente der Verzahnung sowie die Lage dieser Elemente zueinander. Die Darstellung lässt den Zusammenhang zwischen den unabhängigen Bestimmungsgrößen und der Verzahnung deutlich erkennen.

Tab. 16.1 Zusammenhang zwischen Bestimmungsgrößen und -objekten

In den Werkstückzeichnungen sind die hier angegebenen unabhängigen Bestimmungsgrößen nur zum Teil enthalten. Sie lassen sich jedoch berechnen, z. B. aus den Angaben für Verzahnungen nach DIN 3966, dem Bezugsprofil nach DIN 867 und den in DIN 3960 enthaltenen Gleichungen. Für zylindrische Verzahnungen gibt es eine Vielzahl von Sonderprofilen, wie die Zykloiden- und Triebstockverzahnung, Kreisbogenverzahnung nach Wildhaber-Novikov, Kerbverzahnung sowie Verzahnungen für Kettenräder, Zahnriemenscheiben, Keilwellen, Rotoren und Riffelwalzen zur Herstellung von Wellpappe. Form und Abmessungen einer zylindrischen Verzahnung werden in wesentlichen Punkten durch die zugehörige
Planverzahnung (Bezugszahnplatte) festgelegt. Mit einer Zahnplatte können Räder gleichen Normalmoduls aber unterschiedlichen Schrägungswinkels gepaart werden (Abb. 16.7).

16.7 Darstellung der Bezugszahnplatte

Die Bezugszahnplatte ist bestimmt durch das Bezugsprofil (das ist das Normalschnittprofil der Bezugszahnstange) und die Flankenlinie. Der mit einem Zylinderrad wälzende Ausschnitt einer Bezugszahnplatte ist die Bezugszahnstange. Das Profil einer Bezugszahnstange ist das Profil im Schnitt der Bezugszahnplatte senkrecht zur jeweiligen Radachse. Bezugsprofile für evolventenverzahnte Zylinderräder (Stirnräder) für den allgemeinen Maschinenbau und die Schwerindustrie sind in DIN 867, für die Feinwerktechnik in DIN 58400 und für Verzahnwerkzeuge, die im Wälzverfahren arbeiten, in DIN 3972 genormt. Die Bezugsprofile Kopf- und Fußhöhe, da der Kopf des Werkstücks in den meisten Fällen nicht mit verzahnt wird.

Zudem muss im eingebauten Zustand zwischen Fuß eines Rads und Kopf des Gegenrads Spiel vorhanden sein. Kopf- und Fußhöhe der Bezugsprofile werden jeweils von der Profilbezugslinie PP aus angegeben. Bezugsprofile für Werkzeuge, die im Profilverfahren arbeiten, lassen sich nicht normen, weil das Profil dieser Werkzeuge sich für jede Werkstückverzahnung unterscheidet und weil das jeweils benötigte Profil zusätzlich von der Positionierung des Werkzeuges zum Bearbeiten abhängt. Die gebräuchlichste Form der Flankenlinie der Bezugszahnplatte ist die Gerade. Die Flankenlinie des Werkstücks, also die Schnittlinie zwischen der Flanke und einem Zylinder konzentrisch zur Verzahnungsachse, ist dann eine Schraubenlinie, Abbildung 16.6, im Grenzfall der Geradverzahnung eine Gerade.

Daneben gibt es Bezugsprofilflanken, die aus Geraden zusammengesetzt sind, z. B. bei Doppelschrägverzahnungen, Pfeilverzahnungen sowie Bezugsprofil-Flanken, die aus gekrümmten Linien bestehen. Die entsprechenden Zahnräder heißen bogenverzahnte Zahnräder. Verzahnungen werden zum Teil mit Profil- und/oder Flankenlinienmodifikation ausgeführt, um einen Kopfkanteneingriff bzw. ein Kantentragen zu vermeiden. Profilmodifikationen wie Höhenballigkeit, Kopfrücknahme und Fußrücknahme, lassen sich durch den Einsatz entsprechend gestalteter Werkzeuge erzeugen. Die Flankenlinienmodifikationen (Breitenballigkeit, Flankenendrücknahme) werden meist durch das Einleiten einer Zusatzbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück während der Profilausbildung in werkstückaxial benachbarten Flankenbereichen (z. B. bei den kontinuierlichen Wälzverfahren) verwirklicht. Als Zusatzbewegungen kommen in erster Linie eine Änderung des Achsabstands zwischen Werkzeug und Werkstück und/oder eine Zusatzdrehung des Werkstückes zur Anwendung. Bei den Tauchverfahren ist es möglich, die Profil- und Flankenlinienmodifikationen über den Einsatz entsprechend gestalteter Werkzeuge zu erzeugen.

Die wichtigsten Verfahren zur spanenden Bearbeitung von Zylinderrädern und ihre Einsatzgebiete sind in Tabelle 16.2 zusammengestellt. Die Verfahren arbeiten z.T. mit definierter Schneide, z.T. mit nicht definierter Schneide. Zu jedem Verfahren sind der Name und das kinematische Prinzip beim Erzeugen der Verzahnung angegeben. Die Bearbeitung kann im Wälzverfahren oder im Profilverfahren erfolgen; die Verfahren können stetig (kontinuierlich) oder unstetig (diskontinuierlich) als Teilverfahren ablaufen. Bei den Wälzverfahren wird das Profil kinematisch entwickelt. Im Gegensatz dazu entsteht die Flankenform bei den Profilverfahren aus dem Profil des Werkzeugs. Die entstehenden Profile liegen beim Bearbeiten einer Schrägverzahnung bei den Wälzverfahren und normalerweise auch bei den Profilverfahren nicht im Stirnschnitt des Werkstücks. Das beim Messen der Verzahnung erfasste Stirnschnittprofil (Flankenform) entsteht deshalb erst durch die überlagerte Schraubbewegung beim Bearbeiten. Dies kann sich auf die entstehenden Verzahnungsabweichungen auswirken.

Tab. 16.2 Verfahren zur spanenden Bearbeitung von Zylinderrädern

Die diskontinuierlichen Profilverfahren arbeiten meist mit scheibenförmigen Werkzeugen; für Sonderanwendungen sind auch fingerförmige Werkzeuge einsetzbar. Dies setzt allerdings voraus, dass die Maschine eine entsprechende Werkzeugaufnahme besitzt. Mit fingerförmigen Werkzeugen lassen sich in guter Näherung auch Pfeilverzahnungen bearbeiten. Alle in der Tabelle enthaltenen Profilverfahren zählen zu den Schraubverfahren. Die neuen Entwicklungen auf den Gebieten der Maschinensteuerungen, der Rechentechnik, der Schneidstoffe einschließlich der Beschichtung und die Nachfrage nach Zahnrädern in großen Abmessungen haben die Entwicklung der Bearbeitungsverfahren, der Maschinen und
Werkzeuge stark befruchtet. Dies trifft vor allem für die Verfahren diskontinuierliches Profilfräsen, diskontinuierliches Profilschleifen mit abrichtbaren Scheiben und das Schabschleifen zu.

Inzwischen lassen sich Werkstücke mit einem Durchmesser bis zu 6 m und einer Profiltiefe von ca. 100 mm bei einem Axialschlittenweg von 1,6 m als Außenverzahnung oder als Innenverzahnung durch Profilfräsen oder durch Profilschleifen mit sehr geringen Verzahnungsabweichungen herstellen. Das Profilfräsen mit Scheibenfräser wird häufig zum Vorfräsen von Verzahnungen mit einem Modul m ≥ 16 mm wirtschaftlich angewendet; bei geringen zum Fertigbearbeiten eingesetzt werden. Das Wälzschälen von Außen- und Innenverzahnungen ist schon lange bekannt; es wird aber bis heute noch nicht in großem Umfang angewendet. Das Schraubwälzschleifen wird zum Bearbeiten von Werkstücken bis zu einem maximalen Durchmesser von etwa einem Meter und einem maximalen Modul von etwa 10 mm eingesetzt. Das Schabschleifen wird z. Z. vorwiegend zum Bearbeiten von Werkstücken mit einem Durchmesser bis zu 250 mm und einem maximalen Modul von ca. 6 mm angewendet.

Auszug aus

Handbuch Spanen

Herausgeber: Günter Spur
10/2014, 1392 Seiten, € 299,99
ISBN: 978-3-446-42826-3
Seiten 935-946
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