Die Konstruktion und Herstellung von Schneckengetrieben ist die Kunst des Kompromisses, bei der die Werkstoffauswahl für die Schnecke eine entscheidende Rolle spielt. Besonders problematisch sind Schnecken mit einem großen Modul und einem vergleichsweise kleinen Durchmesser. Oft werden Schnecken mit einer kleinen Durchmesserzahl konstruiert, um einen maximalen Wirkungsgrad zu erzielen. Eine kleine Durchmesserzahl führt jedoch zu einer Schwächung des tragenden Kernquerschnitts der Schnecke. Die Folge sind stark erhöhte Spannungen im Kern, was das Risiko eines Bruchs unter Belastung drastisch erhöht.
Um die richtige Wahl zu treffen, müssen zunächst die auftretenden Kraftvektoren und tribologischen Phänomene, denen die Schneckenwelle ausgesetzt sein wird, präzise analysiert werden.
1. Warum ist die Schnecke ein Bauteil mit erhöhtem Risiko?
In klassischen Zahnradgetrieben dominiert die Rollreibung. In einem Schneckengetriebe sieht die Situation völlig anders aus – aufgrund der geometrischen Gegebenheiten tritt hier starke Gleitreibung auf. Diese erzeugt hohe Temperaturen und erhöht das Risiko von vorzeitigem Verschleiß sowie des Fressens des Flankenprofils drastisch.
Diese Phänomene werden von enormen mechanischen Belastungen überlagert:
- Axialbelastungen (Gefahr für die Zähne): Die auf die Schneckengänge wirkende Axialkraft versucht, die Zähne an ihrer Wurzel abzuscheren und auszubrechen.
- Radial- und Biegemomente (Gefahr für die Welle): Die Schnecke ist sehr häufig als einteilige, in Lagern abgestützte Welle ausgeführt. Die Zahnkräfte versuchen, die Welle durchzubiegen, was bei mangelnder Zähigkeit des Kerns zu einem Ermüdungsbruch führt.
Der konstruktive Schlussstrich ist klar: Ein Werkstoff für verantwortungsvolle, hochbelastete Schnecken muss eine hohe Oberflächenhärte (Verschleißfestigkeit) aufweisen, während gleichzeitig ein zäher und elastischer Kern (Widerstandsfähigkeit gegen Bruch durch radiale Biegungskräfte) erhalten bleiben muss.
2. Wirtschaftlichkeit vs. Konstruktionsverantwortung
In der praktischen Ingenieurarbeit ist es nicht immer notwendig, die teuersten Legierungen einzusetzen. Die Materialauswahl muss der Funktion und dem Einsatzzweck des Mechanismus angemessen sein.
Bei Anwendungen mit geringer Verantwortung, niedriger Einschaltdauer oder dort, wo die Minimierung der Herstellungskosten im Vordergrund steht (z. B. Positioniermechanismen, Handantriebe, einfache Verbrauchergetriebe), werden erfolgreich Kohlenstoffstähle wie C45 im Rohzustand oder nach einer Wärmebehandlung eingesetzt. Ein solcher Werkstoff bietet ausreichende Eigenschaften für niedrige Drehmomente, ist äußerst wirtschaftlich und lässt sich hervorragend zerspanen.
Wenn das Getriebe jedoch im Dauerbetrieb unter voller industrieller Last arbeiten soll, ist der Übergang zu legierten Stählen unumgänglich, die einem Vergüten oder einer thermochemischen Oberflächenhärtung unterzogen werden.
3. Übersicht über Werkstoffe und Härtungstechnologien
Je nach Konstruktionsansatz werden die Stähle für hochbelastete Schnecken in zwei technologische Hauptgruppen unterteilt:
Einsatzstähle zum Aufkohlten und Härten (Hohe Lebensdauer und Fresssicherheit)
Dies ist der Standardansatz im Maschinenbau, um den idealen Kompromiss zu erzielen: eine harte „Schale“ und ein zäher Kern.
- 16MnCr5 (16HG) / 20MnCr5 (20HG): Legierte Chrom-Mangan-Stähle. Nach dem Aufkohlungs- und Härteprozess erreichen sie eine Oberflächenhärte von 56–62 HRC. Sie zeichnen sich durch eine sehr gute Zerspanbarkeit vor der Wärmebehandlung aus.
- 18CrNiMo7-6 (17HNM): Ein hochwertiger Konstruktionsstahl mit Nickel- und Molybdänzusatz. Eingesetzt in Getrieben mit extremem Belastungsgrad. Er bietet eine höhere Kernzug- und Biegefestigkeit als der klassische 16MnCr5.
Vergütungsstähle und Randschichthärten
- 42CrMo4 (40HM) / 41Cr4 (40H): Chrom-Molybdän- bzw. Chromstähle. Sie können entweder vor dem Schneiden der Zähne im gesamten Gefüge vergütet werden (was ihre Gesamtfestigkeit erhöht, aber die Zerspanung erschwert) oder im weichgeglühten Zustand verzahnt und anschließend partitiell (z. B. induktiv) nur im Bereich der Gänge oberflächengehärtet werden.
- Automatenstähle: Lassen sich besonders leicht zerspanen und sind ebenfalls für eine Wärmebehandlung geeignet.
4. Einfluss der Bearbeitungstechnologie auf die Werkstoffentscheidung
Die Wahl des Werkstoffs bestimmt die gesamte technologische Prozesskette in der Werkstatt. Der Einsatz von durchgehärteten oder aufgekohlten Stählen hat schwerwiegende Konsequenzen: Eine hohe Oberflächenhärte (über 55 HRC) bedeutet, dass das Material nach der Wärmebehandlung für Standardwerkzeuge nahezu unskrawbar wird.
Der traditionelle Prozess erfordert das Belassen eines technologischen Aufmaßes, das Durchführen des Härtens und anschließend das aufwendige und teure Schleifen des Schraubenlinienprofils auf speziellen Gewinde- und Schneckenschleifmaschinen. Jedes Härten führt nämlich zu thermischen Verformungen, die die Zahngeometrie verziehen.
Eine Alternative sind moderne Nitrierverfahren (z. B. Plasmanitrieren), die eine hohe Oberflächenhärte bei deutlich niedrigeren Prozesstemperaturen ermöglichen und den Verzug minimieren. Unabhängig vom gewählten Weg bleibt jedoch die Kernfrage: Wie bereitet man das Schneckenprofil vor oder nach der Wärmebehandlung so vor, dass ein perfekter Zaryskontakt ohne gigantische Werkzeugkosten erhalten bleibt?
