Kunststoffe werden als Zahnradwerkstoff in immer mehr Fahrzeugen und auch in elektrischen Geräten eingesetzt. Nun gibt es eine neue Richtlinie namens VDI 2736, die die Auslegung der Kunststoffzahnräder optimieren soll.
Kunststoffzahnräder und ihre Schadenskriterien
Kunststoffzahnräder werden in großer Stückzahl kostengünstig hergestellt, besitzen ein geringes Gewicht und warten mit einem sehr guten Geräuschverhalten auf. Diese Vorteile führen dazu, dass Zahnräder aus Kunststoff stärker verwendet werden, wobei sie zum Beispiel in Oberklassefahrzeugen auch in großer Zahl verbaut werden. Fensterheber und Zentralverriegelung sind nur zwei Beispiele für Einsatzgebiete der Kunststoffzahnräder.
Mittlerweile liegen umfassende Erfahrungen zum Einsatz von Kunststoffgetrieben vor. Daraus konnten drei wichtige Schadenskriterien abgeleitet werden:
- Bei Spitzenlasten kann es zum Bruch im Zahnfuß kommen, weil das Drehmoment schlagartig ansteigt.
- Bei unzureichender Schmierung erhöht sich der Verschleiß der Zahnflanken bis hin zum Zahnbruch.
- Ist die Schmierung ausreichend, so kann dennoch ein Zahnfußdauerbruch auftreten, weil das Material ermüdet.
Für die meisten Projekte ist ein statischer Festigkeitsnachweis ausreichend, bei dem Spitzen- und Dauerdrehmoment gegenübergestellt werden. Nur teilweise wird der Nachweis gegen Verschleiß oder Dauerbruch nötig. Der Verschleiß der Kunststoffzahnräder verschwindet fast gänzlich, wenn die Schmierverhältnisse gut sind. Ist das nicht der Fall, werden sie rasch geschädigt. Wird auf die Fettschmierung gesetzt, so kann das Fett aus dem Kontakt herausgedrückt werden, die Kunststoffzahnräder laufen dennoch trocken.
Verschieden hoher Aufwand
Je nach zu erbringendem Nachweis ist der Aufwand verschieden hoch. Beim Nachweis gegen Gewaltbruch werden die Kunststoffzahnräder hinsichtlich der Kraft-Dehnungsmesswerte getestet. Die entsprechenden Ergebnisse müssen vom Hersteller dokumentiert werden und sind oft sogar für den Einsatz bei verschiedenen Temperaturen vorhanden.
Mit einfachen Vorrichtungen lassen sich die Koeffizienten für den Verschleiß testen, viele Hersteller bestimmen diese Koeffizienten bereits standardmäßig.
Für den Nachweis der statischen Sicherheit gab es bislang keine feste Richtlinie, nach der sich die Festigkeit der Kunststoffzahnräder darlegen ließ. Bewährt hat sich die Methode, bei der die Nennspannung mit der Festigkeit des Werkstoffs verglichen wird, wobei der kritische Querschnitt zugrunde gelegt werden muss. Diese Art und Weise des Nachweises wurde nun in die neue Richtlinie für Kunststoffzahnräder aufgenommen.
Nachweis der Sicherheit gegen Verschleiß
Trockenlaufende Getriebe aus Kunststoff haben häufig ein Problem: Sie verschleißen sehr stark. Der Fortschritt des Verschleißes ist aber Untersuchungen zufolge recht konstant und wird proportional zur sogenannten Linienlast gesehen. Der Verschleißkoeffizient kann daher für die Berechnung des Verschleißes herangezogen werden. Dieser Koeffizient kann relativ einfach ermittelt werden, obgleich für jede Materialpaarung eine eigene Messung nötig ist. Bestimmt wird damit der lokale Verschleiß, der für einen bestimmten Kontaktpunkt gilt. Der zweite Wert ist der lineare Verschleiß, der über die gesamte Eingriffsstrecke gilt.
Die Methoden können nicht nur für Kunststoffzahnräder verwendet werden, sondern kommen auch bei metallischen Verzahnungen zum Einsatz, wobei hier der Verschleiß normalerweise nicht relevant sein dürfte. Dies ist aber abhängig vom Tempo der Zahnräder: Laufen diese langsam und kommt es zu hohen Pressungen, so kann ein Ölfilm weggedrückt werden die Zahnräder laufen trocken. In dem Fall ist der Verschleiß natürlich gegeben.
Zeit- und Dauerbruchsicherheit der Kunststoffzahnräder nachweisen
Die Wöhlerlinie des Werkstoffes muss für den Nachweis der Zahnfußfestigkeit bekannt sein. Kunststoffe sind stark von der Temperatur abhängig – ein Nachteil gegenüber Metallen. Die Wöhlerlinie muss daher auch für verschiedene Temperaturen vorliegen. Da die Messung der Wöhlerlinie aber sehr aufwendig ist, gibt es für Kunststoffzahnräder meist keine temperaturabhängigen Daten. Die Software KISSsoft ist die bislang einzige Software, die die Wöhlerdaten bereits implementiert hat.
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