Leitfaden zur Konstruktion von Kunststoffzahnrädern: Werkstoffauswahl, Geometrie und Fertigungsverfahren

Warum Kunststoffzahnräder in modernen Kraftübertragungssystemen Metall ersetzen

Kunststoffzahnräder haben sich längst über leichte Konsumgüter hinaus entwickelt. Heute übertragen sie Kraft in Lenksystemen von Kraftfahrzeugen, Industrierobotern, medizinischen Pumpen und Aktuatoren in der Luft- und Raumfahrt. Die technologischen Vorteile sind überzeugend: geringeres Gewicht, Wegfall der Schmierung in vielen Anwendungen, Geräuschreduzierung um 6 bis 10 dBA im Vergleich zu Metallzahnrädern, Korrosionsbeständigkeit und die Möglichkeit, komplexe Geometrien zu formen, deren Bearbeitung zu kostspielig wäre. Ein gut konstruiertes Kunststoffzahnrad kann ein Metallzahnrad in Anwendungen mit mittlerer Belastung und intermittierendem Betrieb übertreffen und kostet bei entsprechenden Produktionsmengen 50% bis 70% weniger.

Der Erfolg bei der Konstruktion von Kunststoffzahnrädern erfordert jedoch einen grundlegend anderen technischen Ansatz als bei der Konstruktion von Metallzahnrädern. Die Materialauswahl, die Optimierung der Zahngeometrie, das Wärmemanagement und die Wahl des Fertigungsverfahrens sind miteinander verknüpfte Entscheidungen, die gemeinsam getroffen werden müssen. Dieser Leitfaden bietet einen umfassenden Rahmen für die Konstruktion von Kunststoffzahnrädern, die die Leistungsanforderungen erfüllen und gleichzeitig zu den angestrebten Kosten hergestellt werden können.

Werkstoffauswahl: Die Grundlage für die Leistungsfähigkeit von Zahnrädern

Die Wahl des Werkstoffs bestimmt die Betriebsgrenzen des Getriebes hinsichtlich Drehmoment, Drehzahl, Temperatur und Schmierbedingungen. Die Wahl eines für die Belastungsbedingungen ungeeigneten Werkstoffs ist die häufigste Ursache für den Ausfall von Kunststoffgetrieben.

POM, ein Acetal-Homopolymer und -Copolymer, ist der am häufigsten verwendete Kunststoff für Zahnräder. Es bietet eine hervorragende Balance aus Ermüdungsfestigkeit, geringer Reibung sowohl untereinander als auch gegenüber Metall, guter Maßhaltigkeit und angemessenen Kosten von etwa $3 bis $5 pro Kilogramm. POM-Copolymer wird bei Zahnrädern gegenüber dem Homopolymer bevorzugt, da es eine bessere chemische Beständigkeit, eine geringere Porosität in der Mittellinie – die zur Entstehung von Ermüdungsrissen führen kann – sowie einen größeren Verarbeitungsbereich beim Spritzgießen bietet. POM-Zahnräder arbeiten am besten unter trockenen oder fettgeschmierten Bedingungen bei Dauertemperaturen von bis zu 90 Grad Celsius, wobei sie zeitweise auch Temperaturen von bis zu 120 Grad Celsius standhalten können.

PA66 und PA6 weisen eine höhere Temperaturbeständigkeit und eine bessere Schlagzähigkeit als POM auf, wodurch sie sich für Zahnräder eignen, die Stoßbelastungen oder erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind. Glasfaserverstärktes PA66 erhöht die Zahnbiegefestigkeit im Vergleich zu ungefülltem PA66 um 50% bis 80%, doch die abrasiven Glasfasern beschleunigen den Verschleiß gegenüber den Gegenzahnrädern, was ein geschmiertes System oder einen Verschleißpartner erfordert, der den Verschleiß auffängt. Nylon-Zahnräder nehmen Feuchtigkeit aus der Umgebung auf, typischerweise 2% bis 3% des Gewichts bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50%, was zu einer Dimensionszunahme von 0,5% bis 0,8% und einer Verringerung des Elastizitätsmoduls um 25% bis 40% führt. Die Zahnprofile der Zahnräder müssen für die konditionierten Abmessungen und Eigenschaften ausgelegt werden, nicht für den trockenen Zustand direkt nach dem Formpressen.

Für Hochtemperaturanwendungen erweitern verschiedene Werkstoffe den Einsatzbereich. PA46 mit einem Schmelzpunkt von 295 Grad Celsius und einer Dauereinsatztemperatur von 150 Grad Celsius in ungefüllter Form sowie bis zu 180 Grad Celsius in glasfaserverstärkter Ausführung ist für Getriebeanwendungen im Motorraum von Kraftfahrzeugen, einschließlich Steuerkettenspannern, vorgesehen. PPS GF40 arbeitet bei Dauertemperaturen von bis zu 220 Grad Celsius und weist eine hervorragende chemische Beständigkeit auf, wodurch es sich für chemische Prozessanlagen und Zahnräder in Ölpumpen eignet. PEEK, das für den Dauerbetrieb bei 260 Grad Celsius ausgelegt ist, wird für Getriebe in Aktuatoren der Luft- und Raumfahrt, in Halbleiteranlagen sowie für Getriebe in medizinischen Geräten eingesetzt, die wiederholt einer Dampfsterilisation unterzogen werden. Mit Kohlefaser verstärkte PEEK-Typen bieten eine Zahnbiegeermüdungsfestigkeit, die der von Zinkdruckguss nahekommt, bei einem um 80% geringeren Gewicht.

Zahnradgeometrie: Das Evolventenprofil

Kunststoffzahnräder verwenden dieselbe Evolventenverzahnung wie Metallzahnräder, da das Evolventenprofil eine konjugierte Wirkung gewährleistet, was bedeutet, dass das Winkelgeschwindigkeitsverhältnis während des gesamten Eingriffs konstant bleibt, unabhängig von Schwankungen des Achsabstands. Dies ist für Kunststoffzahnräder von entscheidender Bedeutung, da sich der effektive Achsabstand im Betrieb aufgrund von Wärmeausdehnung und Feuchtigkeitsaufnahme verändert. Das Evolventenprofil gleicht Achsabstandsschwankungen aus, ohne dass dabei Übertragungsfehler entstehen – im Gegensatz zu Zykloiden- oder anderen Profilen.

Standard-Druckwinkel für Kunststoffzahnräder betragen 20 Grad, was dem Standard für Metallzahnräder entspricht und die Austauschbarkeit in Getrieben aus unterschiedlichen Materialien ermöglicht. Ein Druckwinkel von 14,5 Grad wird gelegentlich für Anwendungen mit geringer Belastung verwendet, da er einen leiseren Lauf ermöglicht; allerdings führt er zu schwächeren Zähnen bei höheren Kontaktverhältnissen und wird im Allgemeinen nicht für die Kraftübertragung empfohlen. Bei hochbelasteten Kunststoffzahnrädern kann ein Druckwinkel von 25 Grad die Zahnbiegefestigkeit im Vergleich zu einem Zahn mit 20 Grad und gleichem Modul um 15% bis 25% erhöhen. Der Nachteil sind höhere radiale Lagerbelastungen und eine etwas höhere Gleitgeschwindigkeit, was sich bei trockenlaufenden Zahnrädern auf die Verschleißrate auswirken kann.

Die Anpassung des Zahnprofils ist bei Kunststoffzahnrädern unerlässlich. Durch die Zahnspitzenentlastung, bei der eine geringe Materialmenge von der Zahnspitze abgetragen wird, wird die Zahndurchbiegung unter Last ausgeglichen und das Aufprallgeräusch beim Eingriff der Zähne verringert. Bei Kunststoffzahnrädern beträgt die Zahnspitzenentlastung typischerweise das 0,01- bis 0,02-fache des Moduls, was etwa dem Doppelten der bei Metallzahnrädern verwendeten Zahnspitzenentlastung entspricht, da die Durchbiegung der Kunststoffzähne größer ist. Der Fußrundungsradius ist entscheidend für die Festigkeit von Kunststoffzahnrädern. Eine Vollradius-Fußrundung, die so groß wie möglich ist, ohne eine Kollision mit der Zahnspitze des Gegenzahnrads zu verursachen, maximiert die Biegeermüdungsfestigkeit. Bei Kunststoffzahnrädern sollten scharfe Fußecken vermieden werden, die bei Metallzahnrädern toleriert werden können, da Kunststoffe kerbenempfindliche Werkstoffe sind, bei denen Ermüdungsrisse an Spannungskonzentrationen entstehen. Es wird ein Fußrundungsradius von mindestens dem 0,38-fachen des Moduls empfohlen, wobei für hochbelastete Anwendungen das 0,45-fache des Moduls bevorzugt wird.

Berechnungen zur Zahnfestigkeit bei Kunststoffzahnrädern

Die Festigkeit der Zahnräder aus Kunststoff wird anhand der für Kunststoffe angepassten Lewis-Biegegleichung berechnet. Der Lewis-Formfaktor berücksichtigt die Zahngeometrie, während die zulässige Materialspannung die temperatur- und geschwindigkeitsabhängigen Eigenschaften des Kunststoffs berücksichtigt. Der entscheidende Unterschied zur Konstruktion von Metallzahnrädern besteht darin, dass die zulässige Biegespannung bei Kunststoff kein fester Wert ist. Sie hängt von der Betriebstemperatur, der Anzahl der Belastungszyklen und dem Belastungszyklus ab.

Die zulässige Biegespannung für ein Kunststoffzahnrad bei einer bestimmten Anzahl von Zyklen entspricht der Materialermüdungsfestigkeit bei dieser Zyklenanzahl, geteilt durch einen angemessenen Sicherheitsfaktor. Für POM bei 10 Millionen Zyklen und 23 Grad Celsius beträgt die Biegeermüdungsfestigkeit etwa 30 bis 35 MPa. Für PA66 unter denselben Bedingungen beträgt sie im konditionierten Zustand etwa 25 bis 30 MPa, wobei zu beachten ist, dass PA66 im trockenen, formfrischen Zustand eine höhere Festigkeit aufweist, die mit der Feuchtigkeitsaufnahme abnimmt. Bei PEEK CF30 bei 10 Millionen Zyklen und 23 Grad Celsius beträgt die Biegeermüdungsfestigkeit etwa 55 bis 65 MPa, und dieser Wert bleibt bis zu deutlich höheren Temperaturen erhalten als bei POM oder PA66.

Die temperaturbedingte Leistungsreduzierung erfolgt über einen Faktor, der die zulässige Belastung mit steigender Betriebstemperatur verringert. Bei POM beträgt die Biegefestigkeit bei 80 Grad Celsius etwa 60% des Wertes bei Raumtemperatur. Bei PA66 beträgt sie bei 120 Grad Celsius etwa 50% des bei Raumtemperatur konditionierten Wertes. PEEK behält bei 150 Grad Celsius über 80% seiner Biegefestigkeit bei Raumtemperatur bei. Die Temperatur-Derating-Kurve für die jeweilige Materialsorte muss vom Materiallieferanten eingeholt und bei der Berechnung der Getriebekonstruktion berücksichtigt werden.

Auslegung von Spiel und Freiraum

Das Spiel ist der Abstand zwischen den ineinandergreifenden Zahnrädern, gemessen am Teilkreis. Es ist für Kunststoffzahnräder unerlässlich, da es thermische Ausdehnung, Feuchtigkeitsaufnahme und Fertigungstoleranzen ausgleicht. Ein zu geringes Spiel führt zu Zahnüberlappung, erhöhter Reibung und Wärmeentwicklung sowie zu beschleunigtem Verschleiß oder Festfressen. Ein zu großes Spiel erhöht den Übertragungsfehler, die Geräuschentwicklung und die Stoßbelastung beim Umkehren der Antriebsrichtung.

Bei Kunststoffzahnrädern ist das empfohlene Spiel größer als bei entsprechenden Metallzahnrädern. Als typische Richtwert gilt das 0,04- bis 0,08-fache des Moduls für Zahnradpaare aus Kunststoff, verglichen mit dem 0,02- bis 0,05-fachen des Moduls bei Stahlzahnrädern. Der genaue Wert hängt von der Materialkombination ab. Zahnradpaare aus Kunststoff erfordern ein größeres Spiel, da sich beide Zahnräder ausdehnen. Bei Kunststoff-Metall-Zahnradpaaren kann ein geringeres Spiel verwendet werden, da sich nur das Kunststoffzahnrad ausdehnt und das Metallzahnrad als Wärmeableiter fungiert. Bei Hochtemperatur-Kunststoffzahnrädern, die nahe ihrer maximalen Betriebstemperatur betrieben werden, sollte das Spiel auf der Grundlage der unterschiedlichen Wärmeausdehnung zwischen dem Zahnradmaterial und dem Gehäusematerial berechnet werden, wobei der gesamte Betriebstemperaturbereich vom Kaltstart bis zur Höchsttemperatur zu berücksichtigen ist.

Schmierstrategien

Die Schmierung ist eine entscheidende Konstruktionsentscheidung, die die Lebensdauer von Zahnrädern um den Faktor 2 bis 5 beeinflusst. Die Optionen reichen vom Trockenlauf – der ausschließlich bei Kunststoffen möglich ist und die Kosten sowie die Verunreinigung durch Schmierstoffe vermeidet – bis hin zu Fett-, Ölbad- und Festschmierstoffsystemen.

Trockenlauf ist bei POM-Zahnrädern unter geringen bis mittleren Belastungen und Drehzahlen möglich, bei denen der PV-Wert – das Produkt aus Anpressdruck und Gleitgeschwindigkeit – unter dem Grenz-PV-Wert des Werkstoffs bleibt. Für POM bei niedrigen Drehzahlen liegt der Grenz-PV-Wert bei etwa 0,1 bis 0,2 MPa mal Meter pro Sekunde. Der Trockenlauf erfordert eine sorgfältige Materialpaarung. Der Kontakt von POM mit POM sorgt unter trockenen Bedingungen für die geringste Reibung und den geringsten Verschleiß. Der Kontakt von POM mit PA66 erhöht die Verschleißrate, da die Materialien chemisch unterschiedlich sind und nicht den vorteilhaften Gleitfilm bilden, der beim Kontakt von POM mit POM entsteht.

Die Fettschmierung verlängert die Lebensdauer von Zahnrädern erheblich und ist die gängigste Schmiermethode für Kunststoffzahnräder in industriellen Anwendungen. Synthetische Kohlenwasserstoff- oder Perfluorpolyether-Fette werden bevorzugt, da Fette auf Mineralölbasis bei einigen technischen Kunststoffen, insbesondere Polycarbonat und amorphen Nylons, Spannungsrisse verursachen können, obwohl POM und PA66 im Allgemeinen mit Mineralfetten verträglich sind. Das Schmierfett sollte sparsam aufgetragen werden; überschüssiges Schmierfett erhöht die Rührverluste und die Betriebstemperatur, ohne einen zusätzlichen Nutzen zu bieten. Ein Film von etwa 10 bis 50 Mikrometern zwischen den Zahnradzähnen ist für Grenz- und Mischfilmschmierung ausreichend.

Durch die interne Schmierung mittels Einarbeitung von Festschmierstoffen in die Kunststoffmischung entfällt bei vielen Anwendungen die Notwendigkeit einer externen Schmierung. PTFE-gefülltes POM sorgt im Vergleich zu ungefülltem POM für eine Verringerung des Reibungskoeffizienten von 20% auf 30%. Mit Silikonöl gefüllte Typen transportieren das Schmiermittel während der gesamten Lebensdauer des Zahnrads an die Oberfläche. MoS₂-gefülltes PA66 bietet Trockenschmierung für Hochtemperaturanwendungen, bei denen externes Schmierfett zersetzt würde. Festschmierstoff-Füllstoffe verringern typischerweise die Zug- und Biegefestigkeit des Grundharzes um 5% bis 15%, was bei der Berechnung der Zahnfestigkeit berücksichtigt werden muss.

Fertigungsverfahren: Spritzguss, CNC-Bearbeitung und Wälzfräsen

Das Spritzgießen ist das vorherrschende Fertigungsverfahren für Kunststoffzahnräder bei Produktionsmengen von über 2.000 bis 5.000 Stück pro Jahr. Es erzeugt fertige Zahnräder in Zykluszeiten von 15 bis 45 Sekunden, ohne dass eine Nachbearbeitung erforderlich ist. Die Form muss die Materialschrumpfung berücksichtigen, die typischerweise bei 1,5% bis 2,5% für ungefüllte Materialien und bei 0,3% bis 1,0% für glasfaserverstärkte Typen beträgt und auf jede Abmessung angewendet wird. Bei Präzisionszahnrädern sind eine Formflussanalyse und iterative Werkzeuganpassungen erforderlich, da die Schrumpfung nicht vollkommen isotrop ist, insbesondere bei faserverstärkten Werkstoffen, bei denen die Schrumpfung in Fließrichtung geringer ist als senkrecht dazu. Zahnradformen erfordern die höchste Präzision aller Spritzgussformkategorien, mit Maßtoleranzen der Kavitäten von plus/minus 0,005 mm für Präzisionszahnradzähne und Rundlauftoleranzen von 0,01 mm oder weniger zwischen der Zahnradbohrung und dem Zahnprofil.

Die CNC-Bearbeitung von Stangen- oder Plattenmaterial ist das bevorzugte Verfahren für Prototyp-Zahnräder, Kleinserien bis zu 2.000 Stück sowie für Werkstoffe wie PEEK und PAI, die sich nur schwer im Spritzgussverfahren verarbeiten lassen. Bearbeitete Kunststoffzahnräder erreichen eine höhere Genauigkeit als Spritzgusszahnräder: Während bei Spritzgusszahnrädern die AGMA-Qualitätsklassen 7 bis 9 erreichbar sind, lassen sich bei bearbeiteten Zahnrädern die Klassen 8 bis 10 erreichen. Durch die Bearbeitung wird der Schmelzverarbeitungsschritt vermieden, der manche Hochtemperaturpolymere zersetzt, wodurch die Materialeigenschaften des Ausgangsmaterials erhalten bleiben. Die Einschränkung bei bearbeiteten Kunststoffzahnrädern liegt in den Stückkosten, die bei Produktionsmengen über 5.000 Stück in der Regel 3- bis 10-mal höher sind als bei spritzgegossenen Zahnrädern gleicher Qualität. Die maschinelle Bearbeitung beschränkt zudem die Zahnradgeometrie auf das, was mit Schneidwerkzeugen hergestellt werden kann, während im Spritzgussverfahren komplexe Geometrien wie Innenverzahnungen, Stirnverzahnungen und gewölbte Zähne ohne zusätzliche Arbeitsschritte hergestellt werden können.

Das Zahnradfräsen eignet sich für bestimmte technische Kunststoffe und ermöglicht die Herstellung von Außenzahnrädern mit geraden und schrägverzahnten Zähnen der AGMA-Qualitätsstufe 8 bis 10 bei mittleren Stückzahlen. Beim Wälzfräsen entsteht das Evolventenprofil durch die Relativbewegung zwischen Wälzfräser und Zahnradrohling, wodurch eine theoretisch korrekte Evolvente entsteht – im Gegensatz zu der Annäherung, die bei der CNC-Bearbeitung durch einzelne Schneidwerkzeuge erzielt wird. Das Wälzfräsen ist bei einfachen Stirn- und Schrägverzahnungen im Durchmesserbereich von 10 bis 100 mm schneller als die CNC-Bearbeitung, mit Zykluszeiten von 30 bis 120 Sekunden pro Zahnrad. Es ist auf Außenverzahnungen mit einfachen Nabengeometrien beschränkt und kann keine komplexen integrierten Merkmale erzeugen, die beim Spritzgießen in einem einzigen Bauteil kombiniert werden können.

Verschleißtests und Validierung

Bei Verschleißprüfungen an Kunststoffzahnrädern müssen die tatsächlichen Betriebsbedingungen hinsichtlich Belastung, Drehzahl, Einschaltdauer, Temperatur und Schmierzustand nachgebildet werden. Ein „Back-to-Back“-Zahnradprüfstand, bei dem zwei identische Zahnradsätze mithilfe eines Drehmomentanlegemechanismus gegeneinander belastet werden, bietet die repräsentativste beschleunigte Verschleißprüfung für Zahnräder in Kraftübertragungen. Der Test sollte für eine vorläufige Verschleißbewertung mindestens 10 Millionen Zyklen und für eine vollständige Konstruktionsvalidierung bei Anwendungen, die eine lange Lebensdauer erfordern, 50 bis 100 Millionen Zyklen umfassen.

Der Verschleiß wird als Änderung der Zahndicke am Teilkreis über die Testdauer gemessen. Eine Verschleißrate von weniger als 1% Zahndickenänderung pro 10 Millionen Zyklen gilt für die meisten industriellen Anwendungen als akzeptabel. Anwendungen mit höheren Präzisionsanforderungen, wie beispielsweise in der Robotik und der Luft- und Raumfahrt, erfordern unter Umständen Verschleißraten von unter 0,21 TP3T pro 10 Millionen Zyklen. Die Nachprüfung umfasst die Messung der Zahndicke, die Messung der Oberflächenrauheit der aktiven Flanke sowie die mikroskopische Untersuchung auf Lochfraß, Abplatzungen oder Risse. Die Messung des Gewichtsverlusts liefert eine schnelle, aber weniger differenzierte Verschleißbewertung, die die Maßmessung ergänzt.

Häufige Fehlerursachen und deren Vermeidung

Die Zahnbiegeermüdung ist die häufigste Versagensart bei Zahnrädern aus Kunststoff in Kraftübertragungssystemen und zeichnet sich dadurch aus, dass Risse an der Zahnfußrundung entstehen und sich über die Zahnbasis ausbreiten. Zur Vermeidung sind ein ausreichender Wurzelspitzenradius, die richtige Materialauswahl für die Betriebstemperatur und die Anzahl der Zyklen sowie ein Sicherheitsfaktor von 1,5 bis 2,0 für die berechnete Biegespannung im Verhältnis zur Materialermüdungsfestigkeit erforderlich.

Oberflächenkorrosion tritt auf, wenn die zyklische Kontaktbelastung die Oberflächenermüdungsgrenze des Werkstoffs überschreitet, wodurch sich Partikel von der Zahnflanke lösen. Kunststoffzahnräder sind weniger anfällig für klassische Lochfraßbildung als Metallzahnräder, da der niedrigere Elastizitätsmodul des Kunststoffs die Kontaktbelastung auf eine größere Fläche verteilt; dennoch tritt Lochfraß bei stark belasteten Zahnrädern auf, insbesondere bei glasfaserverstärkten Werkstoffen, bei denen die Faserenden als Spannungskonzentratoren an der Oberfläche wirken. Zur Vorbeugung muss die Kontaktbelastung unterhalb der Oberflächenermüdungsgrenze des Werkstoffs gehalten und eine ausreichende Schmierfilmdicke gewährleistet werden.

Ein thermisches Versagen tritt auf, wenn die Reibungswärme durch das Gleiten der Zähne und die Hysteresewärme durch zyklische Materialverformung die Zahntemperatur über die thermische Belastbarkeit des Materials ansteigen lassen. Die Zahnspitze, an der die Gleitgeschwindigkeit und die Kontaktbelastung am höchsten sind, ist in der Regel die heißeste Stelle. Ein thermisches Versagen äußert sich in Oberflächenschmelzen, Materialerweichung, die zu plastischer Verformung führt, sowie schnellem Verschleiß. Zur Vorbeugung muss die Betriebstemperatur des Getriebes durch die Wahl geeigneter Werkstoffe, Schmierung, die Verringerung der Gleitgeschwindigkeit durch den Einsatz kleinerer Module oder Schrägverzahnungen sowie durch eine Konstruktion, die eine ausreichende Wärmeableitung über den Getriebekörper, die Welle und das Gehäuse gewährleistet, begrenzt werden.

Häufig gestellte Fragen

Welche maximale Leistung kann ein Kunststoffzahnrad übertragen?

Es gibt keine allgemeingültige Antwort, da die Leistungskapazität von der Zahnradgröße, dem Werkstoff, der Betriebsdrehzahl, der Temperatur und dem Einschaltverhältnis abhängt. Als grobe Richtlinie gilt, dass ein POM-Stirnrad mit 50 mm Durchmesser bei 1.500 U/min im Dauerbetrieb mit Schmierung etwa 0,5 bis 1,0 kW übertragen kann. Das gleiche Zahnrad aus PEEK CF30 kann etwa 1,5 bis 2,5 kW übertragen. Für Anwendungen, die eine höhere Leistung erfordern, lässt sich die Übertragungskapazität durch Vergrößerung des Zahnraddurchmessers oder der Zahnbreite sowie durch den Einsatz von Schrägverzahnungen anstelle von Stirnverzahnungen erhöhen. Es ist unerlässlich, die Konstruktionsdaten des Materiallieferanten zu konsultieren und eine anwendungsspezifische Analyse durchzuführen.

Können Kunststoffzahnräder ohne Schmierung laufen?

Ja, POM-Zahnräder sind speziell für den Trockenlauf ausgelegt und werden in großem Umfang in Bürogeräten, leichten Elektrowerkzeugen und Konsumgütern ohne Schmierung eingesetzt. Der begrenzende Faktor ist der PV-Wert. Bei trockenlaufenden POM-Zahnrädern liegt der PV-Grenzwert im Dauerbetrieb typischerweise bei 0,1 bis 0,15 MPa mal Meter pro Sekunde oder im Aussetzbetrieb bei bis zu 0,3 MPa mal Meter pro Sekunde. Ein Überschreiten des PV-Grenzwerts führt zu schnellem Verschleiß und thermischem Versagen. Durch die Zugabe von PTFE oder Silikon als interne Schmierung zur POM-Mischung lässt sich der PV-Grenzwert für den Trockenlauf erhöhen.

Wie kann ich die Feuchtigkeitsaufnahme von Nylon bei der Konstruktion von Ausrüstung berücksichtigen?

Legen Sie das Zahnprofil des Zahnrads anhand der konditionierten Maße fest, nicht anhand der Maße im trockenen Formzustand. Legen Sie die Abmessungen der Formkavität auf der Grundlage des erwarteten Gleichgewichtsfeuchtegehalts in der Anwendungsumgebung fest, typischerweise 2,51 TP3T Wasseraufnahme für PA66 bei 501 TP3T relativer Luftfeuchtigkeit, was zu einem linearen Ausdehnungswert von etwa 0,61 TP3T führt. Die in den Berechnungen verwendete Biegeermüdungsfestigkeit der Zähne sollte dem konditionierten Wert entsprechen, der typischerweise 25% bis 40% niedriger ist als der Wert im trockenen Formzustand. Der Achsabstand im Gehäuse sollte die vollständig konditionierten Abmessungen des Zahnrads sowie eine Toleranzzugabe berücksichtigen.

Wann sollte ich bei Kunststoffzahnrädern die CNC-Bearbeitung dem Spritzguss vorziehen?

Die CNC-Bearbeitung wird bevorzugt bei Prototypenmengen von bis zu 100 Stück, bei Produktionsmengen unter 2.000 Stück pro Jahr, bei denen sich die Amortisation der Form nicht rentiert, bei PEEK- und PAI-Zahnrädern, bei denen die hohen Anforderungen an die Formtemperatur das Spritzgießen erschweren, für Zahnräder, die eine Präzision der AGMA-Qualitätsstufe 9 oder 10 erfordern, die im Spritzgussverfahren nur schwer zu erreichen ist, sowie für große Zahnräder mit einem Durchmesser von über 200 mm, bei denen die Werkzeugkosten unerschwinglich werden. Die zerspanende Bearbeitung ermöglicht zudem schnellere Durchlaufzeiten für Designiterationen während der Produktentwicklung.

Was ist der Unterschied zwischen POM-Homopolymer und -Copolymer für Zahnräder, und für welches Material sollte ich mich entscheiden?

POM-Copolymer wird für Zahnräder dringend empfohlen. Copolymer bietet eine bessere langfristige thermische Stabilität, da seine Comonomer-Einheiten den „Reißverschluss“-Effekt unterbrechen, der bei Homopolymeren bei erhöhten Temperaturen auftreten kann. Copolymer weist eine geringere Porosität in der Zahnmitte auf, wodurch die Entstehung von Ermüdungsrissen in der Zahnmitte reduziert wird. Copolymer bietet eine bessere chemische Beständigkeit, insbesondere gegenüber alkalischen Lösungen und heißem Wasser. Homopolymere weisen eine etwas höhere Kristallinität und damit eine etwas höhere Festigkeit und Steifigkeit auf – typischerweise 5% bis 10% – sowie eine etwas geringere Reibung; diese geringen Vorteile werden jedoch bei den meisten Zahnradanwendungen durch die Zuverlässigkeitsvorteile des Copolymers aufgewogen.

Weiterführende Lektüre

• Kunststoffwerkstoffe für Lager und selbstschmierende Polymere
• PA66 GF30 vs. GF50 – Auswahlhilfe
• Toleranzen bei Kunststoffteilen und Standards für den Spritzguss