Hirth-Verzahnung: Aufbau, Herstellung und Curvic-Vergleich

Die Hirth-Verzahnung ist eine selbstzentrierende Stirnverzahnung: Zwei Bauteile werden über radiale Zähne auf ihren Stirnflächen ineinandergefügt und axial verspannt. Sie sitzt dort, wo Drehmoment übertragen und exakt wiederholbar positioniert werden muss, etwa in Rundtischen von Werkzeugmaschinen und in Turbomaschinen. Diese Seite erklärt Aufbau und Funktion, vergleicht Hirth- mit Curvic-Verzahnung, beschreibt die Herstellung durch Fräsen, Schleifen und Umformen und sagt offen, welche Maschinen dafür in Frage kommen. Das verwandte Verfahren für Wellenverbindungen finden Sie unter Kerbverzahnung, den Gesamtüberblick unter Zahnrad herstellen.

Was ist eine Hirth-Verzahnung?

Die Hirth-Verzahnung ist eine axial wirksame, planseitige Verzahnung, die als formschlüssige Kupplung rotierender Elemente wie Wellen eingesetzt wird. Die Zähne liegen also nicht am Umfang eines Zylinders, sondern radial auf der Stirnfläche des Bauteils. Der Begriff Stirnverzahnung meint hier Zähne auf der Stirnfläche, nicht die Zylinderverzahnung eines Stirnrads.

Geometrisch handelt es sich um eine 60°-Stirnverzahnung mit geraden, dreieckförmigen Zähnen. Die Zähne sind radial angeordnet und konisch. Sie liegen im verspannten Zustand flächig aneinander und zentrieren die Bauteile dabei selbst. Nach Angaben von Gleason wurde die Kupplung 1928 von Carl Albert Hirth erfunden.

So funktioniert die Hirth-Verzahnung

Bei der Hirth-Verzahnung nimmt die Zahnhöhe von innen nach außen zu: Der Zahnkopf steigt radial nach außen an, der Zahngrund fällt entsprechend ab. Der Winkel zwischen Zahnkopf und Drehachse hängt allein von der Zähnezahl ab. Nach Gleason macht es die Duplex-Taper-Auslegung möglich, jede Zahnlücke in einem einzigen Hub mit einem Scheibenfräser zu fräsen. Beide Kupplungshälften sind identisch aufgebaut.

Anders als eine Klauenkupplung braucht die Hirth-Verzahnung für den Kraftschluss eine axiale Verspannung, deren Stärke vom Drehmoment und von der Reibung der Zahnflanken abhängt. Wegen der Flankenneigung von 30° entsteht beim Übertragen von Drehmoment eine Axialkraft; zur Übertragung ist mindestens die Vorspannkraft Fa = Fu · tan 30° nötig, wobei Fu die mittlere Umfangskraft am Zahn ist. Für die Auslegung nennt ein Hersteller einen Sicherheitsfaktor von 1,8 bis 3,0. Gespannt wird mit Tellerfedern, Hydraulikzylindern oder in besonderen Fällen mit Schrauben. Sind die zu kuppelnden Elemente leicht axial beweglich, wird die Kupplung zweiteilig ausgeführt; für nicht abhebende Rundschalttische oder Werkzeughalter gibt es auch eine dreiteilige Ausführung aus Außen-, Innen- und Brückenring.

Wie viele Zähne eine Hirth-Verzahnung erhält, hängt vom Durchmesser ab. Ein Berechnungshandbuch gibt folgende Richtwerte:

Die zulässigen Pressungen der Hirth-Verzahnung berechnen sich aus den Werkstoffeigenschaften analog zu DIN 6892 für Passfederverbindungen.

Wo wird die Hirth-Verzahnung eingesetzt?

• Rundtische und Indexiereinrichtungen: Rundschalttische in Werkzeugmaschinen nutzen die Hirth-Verzahnung, weil sie sich nach dem Lösen exakt wieder in dieselbe Position zurückführen lässt. Bei Indexieranwendungen werden Teilgenauigkeiten bis zu einer Bogensekunde erreicht.
• Turbomaschinen: Nach Wikipedia sitzt die Verzahnung zwischen den Läuferscheiben der Verdichter von Turbinen-Strahltriebwerken sowie in stationären Turboverdichtern und Gasturbinen.
• Wellen und Antriebsstrang: Hirth-Verzahnungen verbinden Wellenenden mit Zahnrädern, Scheiben und Kurbelwellen.
• Fahrzeuggetriebe: Die Verzahnung überträgt hohe und wechselnde Drehmomente spielfrei und geräuscharm, weshalb sie auch in Getrieben von Elektrofahrzeugen genannt wird.

Hersteller von Hirth-Ringen nennen als Branchen außerdem Energietechnik und Windkraft, Luft- und Raumfahrt sowie Schwerindustrie.

Vorteile und Grenzen der Hirth-Verzahnung

Hersteller nennen als Vorteile eine form- und kraftschlüssige, selbstzentrierende Verbindung, einen geringen Plan- und Rundlaufschlag, geringen Platzbedarf, eine hohe Drehmomentkapazität, eine sehr genaue Reproduzierbarkeit der Positionierung sowie Verschleißfestigkeit und Langlebigkeit. In der Indexiertechnik gilt die Hirth-Verzahnung deshalb als bevorzugte Lösung, wenn statische Steifigkeit und Positionswiederholgenauigkeit zählen.

Dem stehen zwei Grenzen gegenüber. Erstens wird das übertragbare Moment durch die notwendige axiale Verspannung begrenzt: Die Spannmittel müssen die Axialkraft aufnehmen, die aus der Flankenneigung entsteht. Zweitens gilt die Herstellung als aufwendig, zeitintensiv und deshalb teuer. Hirth-Verzahnungen finden sich darum dort, wo Positioniergenauigkeit und Steifigkeit den Aufwand rechtfertigen.

Hirth-Verzahnung und Curvic-Verzahnung im Vergleich

Die Curvic-Verzahnung ist eng verwandt, hat aber gekrümmte statt gerader Zähne. Ein Teil trägt tonnenförmige, das Gegenstück sanduhrförmige Zähne, und jeder eingegriffene Zahn trägt zur Selbstzentrierung bei. Die Curvic-Kupplung wurde nach Gleason 1942 eingeführt. Die gekrümmte Zahnform entsteht, weil die Teile mit einem Messerkopf gefräst oder mit einer Topfschleifscheibe geschliffen werden.

Die Curvic-Verzahnung entstand aus der Fertigung von Zerol- und Spiralkegelrädern und wird auf ähnlichen Maschinen hergestellt. Für Curvic-Verzahnungen ist deshalb die Maschinenfamilie der Kegelradverzahnungsmaschinen die nächste Verwandte. Nach Gleason sind die meisten Hirth-Kupplungen ungeschliffen und deshalb nur für mäßige Drehzahlen geeignet, während Rotoren in Strahltriebwerken und Kraftwerksturbinen ausschließlich mit Curvic-Kupplungen gestapelt werden. Für hochgenaue Rundtische und Indexiereinrichtungen bieten Hersteller dagegen geschliffene Hirth-Ringe an. Die Begriffe werden im Sprachgebrauch nicht immer sauber getrennt: Wo Wikipedia von Hirth-Verzahnungen zwischen Turbinenscheiben spricht, ordnet Gleason dieselbe Aufgabe den Curvic-Kupplungen zu.

Hirth-Verzahnung herstellen: Fräsen, Schleifen, Umformen

Fräsen

Gefräst wird die Hirth-Verzahnung mit einem Scheibenfräser. Durch das Duplex-Taper entsteht jede Zahnlücke in einem einzigen Hub. Nach Angaben von Lohnfertigern werden ungehärtete Werkstoffe bis zu einer Festigkeit von 1100 N/mm² gefräst, der Durchmesser gefräster Ringe reicht bis etwa 1.000 mm. Der Traganteil gefräster Verzahnungen liegt bei bis zu etwa 70 Prozent.

Schleifen

Für hochgenaue Verbindungen wird die Verzahnung vorgefräst, gehärtet und im gehärteten Zustand unter Beachtung der geforderten Härtetiefe geschliffen. So zeigen Hirth-Verzahnungen auch nach vielfachen Schaltvorgängen nahezu keine Veränderung von Teil- und Zentriergenauigkeit. Der Traganteil, also der Teil der Zahnflanke, der im Eingriff trägt, steigt auf bis zu 80 Prozent. Dadurch sinkt die Flächenpressung, und das übertragbare Drehmoment nimmt zu. Die Durchmessergrenzen für geschliffene Ringe liegen je nach Anbieter bei 400, 500 (nach Bedarf 800) oder 950 mm; ein Anbieter nennt einen Traganteil von bis zu 97 Prozent. Die Angaben hängen erkennbar von Maschine und Verfahren des jeweiligen Anbieters ab. Geschliffen wird besonders dann, wenn Standardlösungen an Grenzen stoßen, etwa bei schwer zerspanbaren Werkstoffen wie gehärteten Werkzeugstählen, Vergütungsstählen, nichtrostenden Stählen sowie Duplex- und Super-Duplex-Stählen.

Zum Einsatz kommen Koordinatenschleifzentren, Profilschleifmaschinen und vertikale Mehrzweck-Schleifmaschinen. Eine vertikale Schleifmaschine mit sechs gesteuerten Achsen für Werkstücke von 50 bis 1.500 mm Durchmesser bearbeitet neben Flächen, Durchmessern, Kegeln und Formen auch Hirth- und Curvic-Verzahnungen; für Hirth-Verzahnungen gilt eine Winkelgenauigkeit der Werkstückspindel von einer Bogensekunde als eine der Hauptanforderungen.

Umformen und weitere Verfahren

Als spanlose Alternative wird die Hirth-Verzahnung kaltgewalzt. Eine für Bauteile von Ø 80 bis 120 mm ausgelegte Walzmaschine verarbeitet Zähnezahlen von 20 bis 110, Zahnhöhen von 0,3 bis 4,5 mm und Lückenwinkel von 40° bis 100°. Der Vorteil liegt darin, dass sich die Verzahnung als letzter Arbeitsgang in eine Prozesskette integrieren lässt, ohne den Bauteilgrundkörper zu verändern. Daneben nennt die Literatur Gesenkschmieden, Fließdrücken, Sintern und Spritzgießen für Anwendungen mit geringeren Anforderungen.

Genauigkeit, Toleranzen und Prüfung

Bei Hirth-Verzahnungen steht die Teilgenauigkeit im Vordergrund. Ein Hersteller strebt bei geschliffenen Ringen ±2 Bogensekunden an und garantiert ±3 Bogensekunden, mit einer Wiederholgenauigkeit von höchstens 0,001 mm und einer Härte von 54 ± 2 HRC. Bei Rundtischen kommt es darauf an, dass die Verzahnung nach jedem Lösen und Verspannen dieselbe Position trifft. Ein Lohnfertiger dokumentiert die Prüfung mit 3D-Messtechnik nach VDI/VDE 2614.

Hirth-Ringe: Standard oder Sonderanfertigung?

Wer Hirth-Verzahnungen nicht selbst fertigt, kann Ringe oder Bauteile zukaufen. Anbieter führen dafür Standardgrößen, die kurzfristig lieferbar sind, und kundenspezifische Ringsätze. Ein Lieferprogramm umfasst typischerweise Standardringe, kundenspezifische Ringe und Bauteile sowie die Bearbeitung einer Hirth-Verzahnung an beigestellten Kundenbauteilen; Ringdurchmesser von bis zu 1.500 mm werden genannt. Vor einer Anfrage sollten Sie klären:

• den Durchmesser der Verzahnung und die Zähnezahl,
• die geforderte Teilgenauigkeit,
• ob die Verzahnung gefräst oder geschliffen und ob sie ungehärtet oder gehärtet sein soll,
• ob eine zwei- oder dreiteilige Ausführung nötig ist.

Gefräste ungehärtete Ausführungen sind bis zu einer Werkstofffestigkeit von 1100 N/mm² möglich; gehärtete Ringe eines Herstellers haben eine Härte von 54 ± 2 HRC und werden anschließend geschliffen.

Welche Maschinen fertigen Hirth-Verzahnungen?

Eine Maschine, die ausschließlich Hirth-Verzahnungen fertigt, konnten wir in den ausgewerteten Herstellerquellen nicht belegen. Die Verzahnung entsteht auf Fräsmaschinen und, für höchste Genauigkeit, auf Schleifmaschinen. Das Profilschleifen ist dabei dasselbe Grundprinzip, das auch beim Verzahnungsschleifen und auf Zahnradschleifmaschinen eingesetzt wird: eine profilierte Schleifscheibe bearbeitet Lücke für Lücke. Curvic-Verzahnungen haben dagegen eigene Curvic-Schleifmaschinen. Da wir keine eigene Maschinenfamilie für Hirth-Verzahnungen belegen konnten, führen wir dafür keine eigene Typseite; die Maschinen finden Sie im Gesamtprogramm der Verzahnungsmaschinen.

Hirth-Verzahnung: was das für gebrauchte Maschinen bedeutet

Wer Hirth-Verzahnungen fertigt, braucht vor allem Genauigkeit in der Teilung: Zustand von Rundtisch und Werkstückspindel, Steuerung und ein Genauigkeitsnachweis wie ein Prüfprotokoll gehören zu den Faktoren, die den Wert einer Schleifmaschine bestimmen. Dazu kommen Werkstückdurchmesser und Werkstücklänge, die den Einsatzbereich festlegen. Solche Angaben fragen wir bei jeder Bewertung ab.

Verzahnungsmaschine verkaufen

Wenn Sie eine Schleif- oder Verzahnmaschine abgeben möchten, mit der Sie Hirth-Verzahnungen gefertigt haben, ist der Weg kurz. Wir kaufen Ihre Verzahnungsmaschine an oder vermitteln sie an einen Käufer aus unserem Netzwerk. Wir bewerten die Maschine, koordinieren Demontage und Transport und sorgen für Zahlung vor Abholung; die erste Einschätzung erhalten Sie in der Regel innerhalb von 24 Stunden. Mehr zu den Maschinentypen finden Sie unter Ankauf Verzahnungsmaschinen und Ankauf Zahnradschleifmaschinen.

Quellen

1. Dr. Hermann J. Stadtfeld, The Gleason Works: Couplings and Clutches, Gear Technology Solutions, mit Hirth, Curvic und Herstellung. geartechnology.com
2. Wikipedia: Hirth-Verzahnung, Definition, Geometrie, Genauigkeit und Herstellungsverfahren. de.wikipedia.org
3. Flohr Industrietechnik: Hirth-Verzahnung geschliffen, Traganteil, Genauigkeit und Zähnezahlen. flohr-industrietechnik.de
4. Industrieanzeiger: Umformtechnisch Hirth- und Planverzahnungen herstellen, Kaltwalzen und Maschinendaten. industrieanzeiger.industrie.de