Wälzprofil-Korrektur (Crowning): Bewährte Methode zur Geräuschreduzierung und Fehlausrichtungskorrektur bei Getrieben

Getriebekonstrukteure kämpfen seit langem mit lauten Getriebezügen, besonders da moderne Getriebe höhere Leistungsabgabe, höhere Drehzahlen und größere Effizienz fordern. Vibrationen und Geräusche zu reduzieren, ohne Kosten zu treiben, bleibt eine kritische Herausforderung.

Gängige Strategien umfassen die Vergrößerung des Ritzels zur Verringerung des Unterschneidens, den Einsatz geräuschabsorbierender Materialien wie Phenolharz oder Delrin und den Wechsel auf Schrägverzahnung. Weitere Ansätze beinhalten das Verschärfen von Fertigungstoleranzen für höhere Getriebequalität, Neugestaltung der Getriebeakustik, Experimente mit Übersetzungsverhältnissen zur Dämpfung harmonischer Verstärkung und Optimierung der Materialhärte zur Minimierung von Wärmebehandlungsverzug oder dessen vollständiger Eliminierung. Sorgfältige Aufmerksamkeit auf Getriebegeometrie ist ebenfalls essenziell für Maximierung des Kontakts und Reduzierung von Verschleiß.

Abbildung 1.

Crowning (oder Barreling) modifiziert die Zahnsehnendicke entlang der Achse, wodurch ein Mittelkontaktpunkt entsteht, der Endbelastung eliminiert. Diese einfache geometrische Änderung liefert signifikante Vorteile.

Erstens mildert es Fehlausrichtungen, verursacht durch Ungenauigkeiten in Guss, Gehäuse, Wellen, Getriebegehäusen oder Lagerböcken. Zweitens reduziert es Führungsfehler, die zu ungleichmäßigem Verschleiß und Klemmen durch Exzentrizitäten führen. Mit einem Mittelkontakt-Getriebe kann das Spiel minimiert werden, sodass das Getriebe "einläuft" statt "ausläuft".

Abbildung 2.

Wälzschleifen – durchgeführt nach dem Grobwälzen oder Formen – war traditionell der Finish-Vorgang zur Erzeugung des gewünschten Crowns, besonders bei grobmoduligen Getrieben. Moderne Getriebemaschinen können nun während des Schneidens crownen, wodurch ein separater Schleifschritt entfällt.

Zwei Schleiftechniken erzeugen den Crown: Kippen des Tisches während der Hubbewegung, was einstellbare Crown-Tiefe bietet, und Stoßvorschub, der schneller ist, aber den Werkzeugverschleiß erhöhen kann. Schleifen verbessert die Profilqualität und reduziert Zahnfehler durch Schneid- und Burnishing-Effekte.

Abbildung 3.

Weitere Crown-Methoden umfassen die Nutzung einer Crown-Nocke im Rückzugmechanismus eines Wälzschleifers. Der Getrieberadius wird basierend auf dem gewünschten Crown und Druckwinkel berechnet, wobei die dafür verwendeten Blöcke kostspielig sein können.

Fortgeschrittene Getriebeausrüstung bietet nun zwei beliebte Crown-while-Hobbing-Techniken. Die erste nutzt ein hydrokopierendes oder mechanisches Folgermodell, um den Mittenabstand des Schneiders zu templaten, was Konuswälzen oder sogar sinusförmige Wellenformen ermöglicht. Die zweite, CNC-Wälzen, erlaubtvirtuell jedes gewünschte Zahnprofil, wobei die Gerätekosten hoch bleiben; Amortisationszeiten haben sich in den letzten Jahren jedoch verkürzt.

Moderne CNC-Wälzschleifer können ohne dedizierte Nocke crownen. Beispielsweise erreicht unser Gleason Pfauter P 300 ES Crown durch Schneiden einer leichten Rechts- und Links-Helix entlang der Zahnflanke, wobei der Fußkreisdurchmesser gerade bleibt. Der Bourn & Koch Fellows MS 450 mit U-Achse kann den Schneiderspindel während des Hubs ein- und ausfahren, was einen tieferen Schnitt an den Enden und einen flacheren Schnitt am Crown-Scheitel erzeugt.

Abbildung 4.

Wer profitiert heute von dieser Technologie? Schwerbelastete Getriebeanwendungen – wie hydraulische Wobbelmotoren und Flugzeugaktuator-Ritzel – verlassen sich auf Crowning zur Fehlausrichtungskorrektur, nicht nur zur Geräuschreduzierung. Während nur wenige US-Hersteller Crowning bei feinmoduliger Verzahnung anwenden, berichten Anwender von fünf- bis zehnfacher Geräuschreduzierung, sowie geringerer Vibration, Verschleiß und Leistungsaufnahme.

Ideale Kandidaten sind Hersteller kleiner Bruch-PS-Motoren und jeder Betrieb, der mit Stirn- oder Schrägverzahnungs-Ritzeln zu tun hat, die anfällig für Geräusche oder Fehlausrichtung sind. Crowning wurde in Europa aufgrund längerer Verfügbarkeit ausländischer Wälzmaschinen umfangreicher entwickelt.

Amerikanische Getriebehersteller sollten erwägen, Crowning in ihre Produktionslinien zu integrieren, um Wettbewerbsvorteile in Geräuschreduzierung, Ausrichtungsprecision und Gesamteffizienz zu erlangen.