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Zahn um Zahn

Mittwoch, 16.06.2021 von Herwig Lorenz Zahn um Zahn

Innenzverzahnungen selbst gemacht

Für ein im Bau befindliches Fahrzeugmodell mit drei angetriebenen Achsen brauchte ich ein passendes Ausgleichsdifferenzialgetriebe. Normalerweise stellt das kein Problem dar. Es wird einfach ein normales Achsdifferenzial umfunktioniert, nur dass der Antrieb vom Motor/Schaltgetriebe eben über ein Stirnrad anstelle einer Kegelradkombination erfolgt.

Alles ganz einfach, wenn da nicht der Nachteil wäre, dass je 50% des Antriebsdrehmomentes auf eine Vorderachse und zwei Hinterachsen verteilt werden. Das führt beim Fahren auf rutschigem Untergrund dazu, dass die Vorderräder leicht durchdrehen und es dann ohne Differenzialsperre nicht mehr weitergeht. Bei meinem Modellvorbild, einem Magirus Jupiter 6×6 von 1967, wird dieses Problem im Original umgangen, indem das Drehmoment 1:3 zwischen den Achsen aufgeteilt wird. Die Technik dazu liefert ein sogenanntes Planetendifferenzial. Und das sollte auch in meinem Modell seinen Dienst tun.

Das Kernstück eines solchen Differenzials ist, wie der Name schon sagt, der Planetenradsatz zum Drehzahlausgleich und zur Drehmomentaufteilung. Es wird dabei der Planetenträger angetrieben, der über die Planetenräder die Drehbewegung auf das Hohlrad für die Hinterachsen und das Sonnenrad für die Vorderachse überträgt. Durch die unterschiedlichen Übersetzungsverhältnisse zwischen dem Hohlrad und dem Sonnenrad verteilt sich das übertragene Drehmoment entsprechend. Bei meiner Konstruktion mit 36 Zähnen im Hohlrad und je 12 Zähnen für das Sonnenrad und die Planetenräder ergibt sich das Verhältnis 1 zu 3. Hier näher auf diese interessante Getriebeart und deren Bau einzugehen würde leider den Umfang dieses Beitrags sprengen. Ich beschränke mich deshalb auf die Arbeiten zur Herstellung der Innenverzahnungen und Keilnaben.

Das Sonnenrad und die drei Planetenräder sind als normale Stirnräder in Eigenregie aus Automatenstahl entstanden wie fast alle Zahnräder, die ich brauche. Diese allerdings nicht im meist von mir verwendeten Modul 0,7, sondern wegen der angestrebten geringen Baugröße des Hohlrades im Modul 0,5.

Die Beschaffung des sogenannten Hohlrades aber sollte zum Problem werden. Die allseits bekannte Firma Mädler, sonst immer ein Garant für die passenden Teile, hat natürlich Hohlräder im Programm zu Preisen, die die Eigenanfertigung bei Einzelstücken nicht lohnen. Allerdings beginnen diese bei Messing im Modul 0,5 erst bei 40 Zähnen und bei Stahl erst im Modul 1,0. Und meine Konstruktion, die natürlich in den Fahrzeugrahmen passen musste und noch die Planetenräder aufnehmen muss, erlaubt nur maximal 36 Zähne für das Hohlrad, weil mit einem zusätzlichen Außenzahnkranz auf dem Hohlrad auch die Differenzialsperrfunktion realisiert werden sollte. Also hieße das, auf das Planetengetriebe zu verzichten oder das Hohlrad selber herzustellen.

Hohlräder, also Innenverzahnungen, werden in der Industrie überwiegend im Stoßverfahren hergestellt. Dazu benötigt man eine Stoßmaschine und ein passendes Werkzeug. Eine geeignete Maschine besitze ich, nur heißt diese bei mir „Fräsmaschine“ und muss deshalb an ihre erweiterte Aufgabe als Stoßmaschine angepasst werden. Der Stoßhub erfolgt dann über die Pinole, der Antrieb derselben von Hand über den Handbohrvorschub. Dabei muss die Frässpindel aber absolut verdrehsicher blockiert sein. Hier zeigte meine Optimum F20 Fräse (Baujahr 2001) gravierende Schwächen. Denn eine direkte Blockierung der Frässpindel mit der Pinole (z.B. durch einen doppelten Klemmring) funktioniert nicht, weil als „Gleitstein“ nur eine simple am Ende abgedrehte Schraube in der Keilnut gegen Verdrehung der Pinole vorgesehen ist. Dadurch lässt sich die Pinole um einige Winkelgrade verdrehen und ist so nicht brauchbar. Und daran lässt sich ohne umfangreichen Umbau und entsprechende mechanische Bearbeitung der Pinolenführung auch nichts ändern. Die Lösung war dann schlussendlich eine zusätzliche äußere Führung der mit einer Lasche direkt geklemmten Spindel. Die Bilder zeigen die von mir gebaute zusätzliche Führung. Da der Halter für diese Führung nur an einem kleinen Bund am unbearbeiteten Gussgehäuse der Fräse geklemmt wird, war ich mir über den genauen Mittenabstand nicht sicher. Ich habe deshalb die Führungsbuchse aus Messing für die Führungsstange (16-mm-Rundstahl, ein ehemaliger Führungsbolzen eines Spritzgießwerkzeuges) etwas außermittig ausgedreht und konnte damit durch Verdrehung der Buchse diese an die genaue Position der Führungsstange zur Spindelmitte anpassen und dann arretieren. Die Montage dieser Vorrichtung zum Stoßbetrieb ist denkbar einfach. Die Lasche mit dem Führungsbolzen wird von unten in die Führungsbuchse eingeführt und an der Spindel mit der Schraube geklemmt. Dadurch wird die Frässpindel und damit auch das Stoßwerkzeug verdrehsicher blockiert, erlaubt aber trotzdem die Stoßbewegung.

Das Stoßwerkzeug selbst wurde wie ein Zahnrad mit 24 Zähnen aus 15-mm-Silberstahl gedreht und mit dem dazu passenden Zahnformfräser gefräst. Allerdings um 5° konisch, um einen Freiwinkel von 2,5° zu erhalten. Die Zähnezahl dieses Stoßwerkzeuges ist beliebig, je größer desto besser, sollte aber 75% der Zähne des Hohlrades nicht überschreiten. Nach dem Härten* und Anlassen wurde die Stirnseite des Werkzeuges in der Drehbank mit dem Dremel leicht konkav scharf geschliffen. Damit war das Stoßwerkzeug schon einsatzbereit.


* Hier die Kurzanleitung zum Härten von Silberstahl:

Das Werkstück mit einer geeigneten Gasflamme hell kirschrot (ca. 850°C) glühen, in Wasser abschrecken und bei 220°C eine Stunde lang tempern (im Backofen). Beim Abschrecken das Teil senkrecht eintauchen, sonst kommt es zum Härteverzug, d.h. das Teil wird krumm. Dünne Teile können auch in Öl (Motoröl, Salatöl) abgeschreckt werden. Dann kann das Anlassen entfallen.


Da ich mir nicht sicher war, wie mein „Stoßwerkzeug“ mit Automatenstahl zurechtkommen würde, wollte ich die Innenverzahnung nur in Messing ausführen und in ein stählernes Hohlrad einkleben. Dazu wurde ein passender Ring an ein Messingstück gedreht und in 7 mm Tiefe (der Innenzahnkranz sollte eine Fertigmaßbreite von 6 mm erhalten) mit einem 1,5 mm breiten Freistich versehen. Dabei wurden die für Zahnräder geltenden Maße eingehalten, aber mit dem Unterschied, dass der Innendurchmesser nach der Formel Zähnezahl×Modul - 2×Modul berechnet wurde. Bei 36 Zähnen also 36×0,5 – 2×0,5 =17 mm. Dann wurde es im Teilkopf eingespannt und zur Spindelmitte ausgerichtet. Mit dem im Spindelfutter eingespannten Stoßwerkzeug habe ich dann den Innendurchmesser des Hohlrades angefahren und ab da mit 0,10 mm Zustellung unter Betätigung des Handbohrvorschubes die Stoßbewegungen ausgeführt bis 0,10 mm vor dem Fertigmaß der Zahntiefe von 1,10 mm. Beim ersten Zahn geht das noch etwas schwer, weil nicht nur ein Zahn gestoßen wird, sondern auch ein Teil der drei Nachbarzähne. Ab dem zweiten Zahn geht es wesentlich leichter. Danach habe ich den Teilkopf um eine Zahnteilung weitergedreht, die Zustellung in die Ausgangsposition zurückgestellt und solange wie vorher verfahren, bis ich einmal alle Zähne vorgearbeitet hatte. Das alles ging erstaunlich unproblematisch, weil ich sehr schnell den „Bogen raus“ hatte, was ich zustellen konnte und was meine „Stoßmaschine“ so verträgt. Zugegeben, das dauert seine Zeit und verbraucht auch ein paar Kalorien. Zum Schluss wurde die Zustellung auf Fertigmaß gestellt und ohne weitere Zustellung das gesamte Zahnrad ringsum fertig gestoßen. Anschließend wurde der verzahnte Ring abgestochen und wäre damit fertig gewesen zum Einkleben in das Hohlrad. Beim kritischen Betrachten meines Machwerkes und beim Vergleich aller anderen Verzahnungen in meinem Getriebe im Modul 0,7 und in Stahl kamen mir Zweifel, ob die Messinglösung im Modul 0,5 an dieser stark beanspruchten Stelle wohl die richtige sei. Ich habe deshalb ein neues Hohlrad aus Stahl gefertigt und dort direkt die Verzahnung auf die gleiche Weise eingestoßen wie oben beschrieben. Die nötigen Stoßkräfte sind etwas höher als beim Messing, aber das lässt sich durch die Zustellung leicht ausgleichen. Stellt man bei einem Stoßvorgang fest, dass es zu schwer geht weil etwas zu viel zugestellt wurde, so wiederholt man den Stoßvorgang zwei bis drei Mal ohne weitere Zustellung. Das Schmieren aber nicht vergessen!

Beim Einspannen des Hohlrades (und jedes anderen zu stoßenden Werkstückes) im Futter des Teilkopfes habe ich darauf geachtet, dass dieses den Kräften des Stoßvorganges gerecht wird. Ist nicht genügend „Fleisch“ oder kein passender Bund am Werkstück als Auflage vorhanden, spanne ich das Werkstück in eine passende geschlitzte Buchse, die nach unten einen kleinen Bund aufweist, um das Werkstück zu stützen und den Abfluss der Späne nach unten zu ermöglichen.

Das Ergebnis dieser Mühe, ich brauchte immerhin eine knappe Stunde für das Stoßen dieses einen Rades in Stahl, ist aber perfekt im Hinblick auf seine Maßhaltigkeit und Oberflächengüte. Außerdem konnte ich so das Hohlrad einteilig herstellen. Durch die Verwendung der Geometrie eines normalen Zahnrades für das Stoßwerkzeug bekommt das Hohlrad unabhängig von der Zähnezahl immer eine perfekte Zahnform durch nur ein und dasselbe Stoßwerkzeug, weil ähnlich wie beim Abwälzfräsen nicht nur ein Zahn geformt wird, sondern immer auch ein Teil der Nachbarzähne auf dem Abrollumfang des innen laufenden Zahnrades.

Dieser Erfolg hat mich dann ermutigt, auch im Modul 0,7 ein Stoßwerkzeug zu erstellen und damit in einer Getrieberadkombination das kleinere Zahnrad eines Radpaares von außen zu stoßen, das aufgrund des Abstandes nicht mehr gefräst werden kann. Auch das funktionierte technisch einwandfrei, aber mit noch etwas mehr zeitlichem und körperlichem Aufwand, weshalb ich darauf in Zukunft nur in besonderen Fällen zurückgreifen werde. Die Herstellung von Zahnstangen und Zahnsegmenten dürfte auf diese Weise auch gelingen, ist aber von mir noch nicht ausprobiert worden.

Nun bestehen Getriebe nicht nur aus Zahnrädern. Es werden dort auch Verschieberäder oder Verschiebeklauen für Kupplungen benötigt. Das gleiche gilt für die Schiebestücke an Kardanwellen. Die häufig im Modellbau an solchen Stellen verwendeten Vierkant- oder Sechskant-Profile haben an den Kontaktstellen für die Übertragung der Drehmomente einen ungünstigen Winkel, was unter höherer Belastung zum Klemmen oder zum sogenannten Slip-Stick-Effekt führen kann. Deshalb habe ich hier bisher immer Keilwellenverbindungen eingesetzt, auch weil ich das für Modelle mit vorbildnaher Technik passender finde. Keilwellen sind leicht selber zu machen, passende Keilnaben aber nicht „von der Stange“ zu kaufen. Deshalb ist auch hier wieder selber machen angesagt. Diese Keilnaben wurden bisher von mir mit einer Anzahl kleiner Bohrungen auf dem Teilkreis vor- und aufgebohrt und dann in mühevoller Arbeit mit kleinen Feilen auf eckig und passend zur Keilwelle gefeilt. Das funktioniert zwar gut, ist aber zeitaufwendig, wenn es genau sein soll. Nach den positiven Erfahrungen mit dem oben beschriebenen Stoßverfahren wurden deshalb für eine 9-mm-Keilwelle mit neun Keilen und eine 7-mm-Welle mit sechs Keilen ebenfalls je zwei Stoßwerkzeuge hergestellt. Je eines mit dem kompletten Keilprofil und je eines, das nur aus einem Keilprofil und zwei halben Keilen besteht. Die Bilder zeigen diese Werkzeuge.

Bei den ersten damit gefertigten Keilnaben aus Messing (auf Stahl verzichte ich bei diesen Teilen wegen der besseren Gleiteigenschaften und der besseren Bearbeitbarkeit des Messings generell) zeigte sich, dass die 9-mm-Keilwelle auch ohne Vorbohrungen im Teilkreis gut „stoßbar“ war. Bei der 7-mm-Welle reicht die Stabilität des nur 6 mm dicken Werkzeuges nicht aus, die Kräfte beim Stoßvorgang ohne Verbiegen aufzunehmen. In diesem Fall bohre ich wie bisher vor und kalibriere die so vorgebohrte Buchse mit dem Stoßwerkzeug, welches das komplette Profil aufweist in jeder Keilposition ringsum einmal. Dazu ist noch nicht einmal die „Stoßmaschine“ nötig, das geht noch einfacher auf der Drehbank. Dazu habe ich das Kalibrierwerkzeug ins Futter der Pinole eingespannt und das Werkstück ins Drehfutter. Dann wurde das Drehbankfutter von Hand soweit gedreht, dass das Keilprofil des Werkzeuges mit den Vorbohrungen übereinstimmte und dann per Pinolenhub durchgepresst. Anschließend wurde das Drehfutter um einen „Keil“ weitergedreht und der Vorgang mit jeder Keilnut wiederholt. Das ergibt eine in jeder Stellung passende Keilnabe.

Bei der 9-mm-Keilnabe kann ich die neun Nuten wie beim Stoßen der Innenverzahnung vorarbeiten und zum Schluss mit dem Kalibrierwerkzeug auf genaues Maß und Profil bringen. Auch hier kann das Kalibrieren auf der Drehbank erfolgen.

Die jeweils dazu passenden Keilwellen wurden mit dem gleichen Formfräser hergestellt, mit denen ich auch die Zwei-und-Zwei-Stoßwerkzeuge gefräst habe. Ich habe beim Fräsen der Keilnuten diese aber 0,1 mm tiefer gefräst. Dadurch werden die stehenbleibenden Keilprofile einige 0,01 mm schmaler als die vom Kalibrierwerkzeug erzeugten Profile, weshalb die Keilwellen/Keilnaben Kombination genau die „Luft“ hat, um auch unter Belastung spielfrei und leicht zu gleiten. Außerdem vermeide ich so Probleme durch eventuell vorhandene Profilabweichungen. Schließlich muss ich bei meinem Werkzeugpark immer berücksichtigen, dass ich keine hochpräzisen Bauteile herstellen kann.

Die Formfräser für die Keilwellen und -stoßwerkzeuge sind kleine Fräsringe mit 40° bzw. 60° Eingriffswinkel, die ebenfalls aus Silberstahl selbst gefertigt wurden.

 

Resümee

Die hier beschriebenen Arbeiten haben mir ein weiteres Feld an Möglichkeiten eröffnet, um Bauteile, die ich für mein Hobby benötige, frei zu gestalten und mit eigenen „Hobby-Mitteln" herzustellen. Ich würde mich freuen, wenn der eine oder andere Hobbymetaller mit Hilfe dieser Ausführungen auch seine Ideen selber realisieren kann.

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