Dieses Dokument beschreibt detailliert das Kegelbrechergetriebe, ein zentrales Getriebeelement, das die Motorleistung auf die Exzenterwelle überträgt und so die Schwingung des beweglichen Kegels antreibt. Es erfüllt wichtige Aufgaben bei der Kraftübertragung, Drehzahlregelung und Drehmomentverstärkung und erfordert hohe Festigkeit, Verschleißfestigkeit und Präzision.
Die Zusammensetzung und Struktur des Zahnrads werden umrissen, einschließlich des Zahnradkörpers (legierter Stahl, massiv oder hohl), der Zähne (Evolventenprofil mit bestimmten Parametern), der Bohrungs-/Wellenverbindung, der Nabe/des Flansches, der Schmiernuten und der Stege/Rippen für große Zahnräder.
Für große Großräder ist der Gießprozess detailliert: Materialauswahl (ZG42CrMo), Modellherstellung, Formen, Schmelzen, Gießen, Abkühlen und Wärmebehandlung. Der Bearbeitungsprozess umfasst die Grobbearbeitung, das Zahnfräsen (Wälzfräsen oder Formen), die Wärmebehandlung (Aufkohlen, Abschrecken, Anlassen), die Endbearbeitung (Schleifen) und das Entgraten.
Zu den Qualitätskontrollmaßnahmen gehören Materialprüfungen (chemische Analyse, Zug- und Schlagprüfungen), Maßprüfungen (CMM, Zahnradmesszentrum), Härte- und Mikrostrukturprüfungen, dynamische Leistungsprüfungen (Maschen- und Belastungsprüfungen) sowie zerstörungsfreie Prüfungen (MPT, UT). Diese stellen sicher, dass das Zahnrad die Anforderungen an Präzision, Festigkeit und Haltbarkeit erfüllt und einen zuverlässigen Betrieb auch unter extremen Belastungen gewährleistet.
Detaillierte Einführung in die Kegelbrecher-Getriebekomponente
1. Funktion und Rolle des Kegelbrechergetriebes
Das Kegelbrechergetriebe (oft auch Antriebsrad oder Ritzel genannt) ist ein zentrales Getriebeelement, das die Kraft vom Motor auf die Exzenterwelle des Brechers überträgt und so die oszillierende Bewegung des Kegels antreibt. Zu seinen Hauptfunktionen gehören:
Kraftübertragung: Umwandlung der Rotationsenergie des Motors in mechanische Bewegung durch Eingriff mit dem Exzenterrad oder dem Hauptzahnrad, wodurch der Zerkleinerungszyklus ermöglicht wird.
Geschwindigkeitsregulierung: Anpassen der Drehzahl der Exzenterwelle (typischerweise 150–300 U/min) an den Auslegungsdurchsatz und die Materialhärte des Brechers.
Drehmomentverstärkung: Erhöhtes Drehmoment zur Überwindung des hohen Widerstands beim Zerkleinern von Material und Gewährleistung eines stabilen Betriebs unter hoher Belastung.
Aufgrund seiner Rolle im Dauerbetrieb mit hohem Drehmoment muss das Getriebe eine hohe Festigkeit, Verschleißfestigkeit und Präzision aufweisen, um einen vorzeitigen Ausfall zu vermeiden.
2. Zusammensetzung und Aufbau des Kegelbrechergetriebes
Kegelbrechergetriebe sind typischerweise zylindrische Stirn- oder Kegelräder mit den folgenden Hauptkomponenten und Strukturmerkmalen:
Getriebegehäuse: Eine zylindrische oder konische Struktur aus hochfestem legiertem Stahl (z. B. 40CrNiMoA oder 20CrMnTi) mit präzise bearbeiteten Außenzähnen. Der Körper kann massiv (für kleine Zahnräder) oder hohl (für große Zahnräder) sein, um das Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig die Steifigkeit zu erhalten.
Zähne: Der kritischste Teil mit Evolventenprofil (Eingriffswinkel 20°) für einen reibungslosen Eingriff. Zu den Zahnparametern gehören Modul (8–20), Zähnezahl (15–40) und Zahnbreite (100–300 mm), abgestimmt auf die Leistung des Brechers.
Bohrungs- oder Wellenanschluss: Eine zentrale Bohrung (für Ritzel) oder Keilnut (für Großräder), die mit der Motorwelle oder der Exzenterbaugruppe verbunden ist. Die Bohrung ist präzisionsgefertigt, um die Konzentrizität mit den Zahnrädern zu gewährleisten und Vibrationen zu minimieren.
Nabe oder Flansch: Ein verstärkter Abschnitt am Ende des Zahnrads mit Schraubenlöchern oder Keilwellenverzahnung zur Befestigung des Zahnrads an der Welle oder Kupplung. Die Nabe verbessert die Drehmomentübertragung und verhindert eine axiale Verschiebung.
Schmiernuten: Umfangs- oder Axialnuten an den Zahnflanken und der Bohrungsoberfläche verteilen das Schmiermittel und verringern so Reibung und Verschleiß beim Eingriff.
Stege oder Rippen: Interne Verstärkungsstrukturen in großen Zahnrädern (Durchmesser >500 mm) zur Gewichtsreduzierung und Verbesserung der Wärmeableitung ohne Beeinträchtigung der strukturellen Integrität.
3. Gießprozess für das Zahnrad (für große Bull Gears)
Große Zahnräder (z. B. Großzahnräder mit einem Durchmesser von 800 mm) werden häufig im Gussverfahren hergestellt, um komplexe Formen und eine hohe strukturelle Festigkeit zu erreichen:
Materialauswahl:
Hochfester Gussstahl (ZG42CrMo) wird aufgrund seiner hervorragenden Kombination aus Zugfestigkeit (≥785 MPa), Schlagzähigkeit (≥45 J/cm²) und Härtbarkeit bevorzugt.
Musterherstellung:
Es wird ein maßstabsgetreues Schaum- oder Holzmodell erstellt, das den Außendurchmesser, die Zähne, die Bohrung und die Nabe des Zahnrads nachbildet. Schrumpfungszugaben (2–3 %) und Entformungsschrägen (3°) werden hinzugefügt, um die Kontraktion nach dem Gießen zu berücksichtigen.
Formen:
Um das Modell herum werden harzgebundene Sandformen geformt, wobei ein Sandkern zur Herstellung der zentralen Bohrung verwendet wird. Der Formhohlraum wird mit einer feuerfesten Schlichte beschichtet, um eine glatte Oberfläche zu gewährleisten.
Schmelzen und Gießen:
Der legierte Stahl wird in einem Lichtbogenofen bei 1550–1600 °C geschmolzen, wobei die chemische Zusammensetzung auf C (0,40–0,45 %), Cr (0,9–1,2 %) und Mo (0,15–0,25 %) kontrolliert wird.
Das Gießen erfolgt bei 1480–1520 °C mit einer Bodengießpfanne, um Turbulenzen zu minimieren und eine gleichmäßige Füllung des Formhohlraums zu gewährleisten.
Abkühlen und Ausschütteln:
Das Gussstück wird 72–96 Stunden in der Form gekühlt, um die thermische Spannung zu reduzieren, und anschließend durch Vibration entfernt. Sandrückstände werden durch Kugelstrahlen entfernt.
Wärmebehandlung:
Durch Normalisierung (860–900 °C, luftgekühlt) wird die Kornstruktur verfeinert, gefolgt von Anlassen (600–650 °C), um eine Härte von 220–250 HBW zu erreichen und so die Bearbeitbarkeit zu verbessern.
4. Bearbeitungs- und Herstellungsprozess
Schruppbearbeitung:
Der Zahnradrohling wird auf einer CNC-Drehmaschine montiert, um Außendurchmesser, Fläche und Bohrung zu drehen, wobei 3–5 mm Schlichtzugabe verbleiben. Passfedernuten oder Keilwellen werden mit einer Fräsmaschine grob bearbeitet.
Zahnschneiden:
Für Stirnräder: Die Zähne werden mit einer Wälzfräsmaschine (mit einem Wälzfräser mit passendem Modul) geschnitten, wodurch ein grobes Profil mit einer Schlichtzugabe von 0,3–0,5 mm entsteht.
Für Kegelräder: Mit einer Zahnradfräse oder einem CNC-Kegelradgenerator wird das konische Zahnprofil geschnitten, wodurch ein präziser Eingriff mit dem Gegenrad gewährleistet wird.
Wärmebehandlung zum Härten:
Das Zahnrad wird einer Aufkohlung (900–930 °C für 8–12 Stunden) unterzogen, um eine harte Oberflächenschicht (0,8–1,5 mm dick) zu erzeugen. Anschließend erfolgt eine Abschreckung (Ölkühlung auf 850–880 °C) und ein Anlassen bei niedriger Temperatur (180–200 °C). Dies führt zu einer Oberflächenhärte von HRC 58–62 (für Verschleißfestigkeit) und einem zähen Kern (HRC 30–35).
Fertigbearbeitung:
Die Zähne werden mit einer Zahnradschleifmaschine geschliffen, um eine Genauigkeit von AGMA 6–8 zu erreichen, mit Zahnprofilabweichungen ≤0,02 mm und einer Oberflächenrauheit von Ra0,8–1,6 μm.
Die Bohrung und die Montageflächen sind auf IT6-Toleranz präzisionsgeschliffen, wodurch die Konzentrizität mit der Zahnradachse gewährleistet wird (Rundlauf ≤ 0,03 mm).
Entgraten und Polieren:
Um Spannungskonzentrationen vorzubeugen und die Geräuschentwicklung beim Eingriff zu reduzieren, werden die Zahnkanten mit einer Bürste oder einer Schleifscheibe entgratet.
Die Schmiernuten sind poliert, um einen ungehinderten Ölfluss zu gewährleisten.
5. Qualitätskontrollprozesse
Materialprüfung:
Durch Analyse der chemischen Zusammensetzung (mittels Spektrometrie) wird der Legierungsgehalt bestätigt (z. B. 40CrNiMoA: C 0,37–0,44 %, Ni 1,25–1,65 %).
Zugversuche an Coupons bestätigen die Streckgrenze (≥835 MPa) und Schlagzähigkeit (≥68 J/cm² bei -20 °C).
Maßgenauigkeitsprüfungen:
Eine Koordinatenmessmaschine (KMG) prüft wichtige Parameter: Zahnteilungsfehler (≤0,02 mm), Zahndicke (±0,015 mm) und Bohrungskonzentrizität.
Ein Zahnradmesszentrum wertet das Evolventenprofil, den Schrägungswinkel und den Zahnabstand aus und stellt so die Einhaltung der AGMA-Standards sicher.
Härte- und Mikrostrukturprüfung:
Die Oberflächenhärte wird mit einem Rockwell-Härteprüfgerät gemessen (HRC 58–62 für die Zahnoberfläche erforderlich).
Durch die metallografische Analyse werden die Tiefe und Mikrostruktur der aufgekohlten Schicht überprüft (kein übermäßiger Restaustenit oder Karbidnetzwerke).
Dynamische Leistungstests:
Prüfung des Zahneingriffs: Das Zahnrad wird mit seinem Gegenzahnrad auf einem Prüfstand gepaart, um Geräusche (≤ 85 dB bei Nenndrehzahl) und Vibrationen (≤ 0,1 mm/s) zu messen.
Belastungsprüfung: Ein 2 Stunden dauernder Test mit 120 % des Nenndrehmoments wird durchgeführt, um Zahnverformungen oder Risse festzustellen.
Zerstörungsfreie Prüfung (NDT):
Durch die Magnetpulverprüfung (MPT) werden Oberflächenrisse in Zahn- und Nabenbereichen erkannt.
Bei der Ultraschallprüfung (UT) wird der Zahnradkörper auf innere Defekte untersucht (z. B. werden Schrumpfporen >φ3 mm aussortiert).
Durch die Einhaltung dieser Prozesse erreicht das Kegelbrechergetriebe die erforderliche Präzision, Festigkeit und Haltbarkeit und gewährleistet eine zuverlässige Kraftübertragung und lange Lebensdauer bei anspruchsvollen Brechanwendungen.
