Eine Verzahnung ist nach der gängigen Definition die Formgebung eines Werkstücks mit Zacken, Zinken oder Keilen – zur Herstellung einer Verbindung, zur Erhöhung der Reibung oder als Trennwerkzeug. In der Antriebstechnik ist damit fast immer die Zahnform eines Zahnrads gemeint: Profil, Modul und Genauigkeit entscheiden, wie leise, effizient und belastbar ein Getriebe läuft. Diese Seite erklärt, welche Zahnradarten und Zahnprofile es gibt, was Modul, Eingriffswinkel und Schrägungswinkel bedeuten, wie sich die Verzahnungsqualität einordnen lässt und mit welchen Verfahren und Maschinen Verzahnungen entstehen – vom Wälzfräsen über das Wälzstoßen bis zum Schleifen. Den Gesamtüberblick über die Maschinen finden Sie unter Ankauf von Verzahnungsmaschinen.
Was bedeutet Verzahnung? Begriffe und Abgrenzung
Im Sprachgebrauch überlappen sich mehrere Begriffe, die man sauber trennen sollte:
- Verzahnung bezeichnet die Zähne eines Bauteils und ihre Form – etwa „Evolventenverzahnung“ (das Profil), „Innenverzahnung“ (die Lage der Zähne) oder „Schrägverzahnung“ (die Zahnrichtung).
- Zahnrad ist das Bauteil, das eine Verzahnung trägt. Die Zahnstange gilt als Sonderfall: ein Zahnrad mit unendlich großem Durchmesser.
- Getriebe ist die Paarung mehrerer Zahnräder. Damit sie mit gleichbleibendem Übersetzungsverhältnis ineinandergreifen (Verzahnungsgesetz), müssen ihre Flanken bestimmten Kurven folgen – im Maschinenbau überwiegend der Evolvente.
- Verzahnungsmaschine ist die Werkzeugmaschine, auf der die Verzahnung entsteht, etwa eine Wälzfräs-, Wälzstoß- oder Zahnradschleifmaschine.
Zahnradarten: Stirnrad, Kegelrad und Schneckengetriebe
Nach der Lage der Achsen teilt man Zahnradgetriebe in drei Familien. Die Tabelle zeigt sie zusammen mit den Verfahren, auf denen sie typischerweise gefertigt werden.
| Zahnradart | Achslage | Typische Merkmale | Häufige Fertigung |
|---|---|---|---|
| Stirnrad, Außenverzahnung | parallel | am häufigsten verwendete Zahnradart, gerade oder schräge Zähne | Wälzfräsen (Standard für Außenverzahnungen), Wälzstoßen, nach dem Härten Schleifen |
| Stirnrad, Innenverzahnung (Hohlrad) | parallel | gleicher Drehsinn, kürzerer Achsabstand, konkave Flanken, vor allem in Planetengetrieben | Wälzstoßen, Räumen, Wälzschälen; große Ringe auch Wälzfräsen |
| Kegelrad | sich schneidend, meist 90° | Gerad- oder Bogenverzahnung | Kegelradverzahnungsmaschine mit Messerkopf, nach dem Härten Hartschälen oder Schleifen |
| Schneckengetriebe | sich kreuzend, nicht schneidend | 1 bis 4 Gänge, Übersetzungen über 100 in kompakter Bauform, oft selbsthemmend | Fräsen und Schleifen von Schnecke und Schneckenrad |
Gerad- und Schrägverzahnung. Bei Stirnrädern verlaufen die Zähne parallel zur Achse oder schräg dazu. Schrägverzahnte Räder laufen leiser und übertragen bei gleicher Größe mehr Drehmoment, weil mehrere Zähne gleichzeitig im Eingriff sind. Dafür entstehen Axialkräfte, die die Lagerung aufnehmen muss – je größer der Schrägungswinkel, desto größer die Axialkraft.
Kegelräder. Die Zähne verlaufen entweder gerade (Geradverzahnung) oder gekrümmt (Bogenverzahnung). Die Bogenverzahnung bietet günstigere Eingriffsverhältnisse, höhere Drehmomente und geringere Geräusche und wird im Maschinenbau bevorzugt. Für Bogenverzahnungen gibt es herstellerspezifische Systeme: Gleason arbeitet mit einem Kreisbogen als Zahnlängslinie, Klingelnberg mit dem Zyklo-Palloid-Verfahren (verlängerte Epizykloide) und dem Palloid-Verfahren (Evolvente). Gefertigt werden sie auf eigenen Kegelradverzahnungsmaschinen.
Schneckengetriebe. Die Schnecke hat 1 bis 4 Gänge; das Übersetzungsverhältnis ergibt sich aus der Zähnezahl des Schneckenrads geteilt durch die Gangzahl. Wegen kleiner Steigungswinkel sind Schneckengetriebe häufig selbsthemmend, solche Ausführungen arbeiten typischerweise mit weniger als 50 Prozent Wirkungsgrad, nicht selbsthemmende erreichen über 90 Prozent. Zylinderschnecken sind kostengünstiger, Globoidschnecken tragen mehr, sind aber deutlich aufwendiger zu fertigen.
Zahnprofile im Vergleich: Evolvente, Zykloide, Hirth und Kerbverzahnung
Das Zahnprofil bestimmt, wie die Flanken aufeinander abrollen – und damit, welches Werkzeug und welche Maschine sich eignen.
| Profil | Kennzeichen | Typischer Einsatz |
|---|---|---|
| Evolventenverzahnung | wichtigste Verzahnungsart im Maschinenbau; Bezugsprofil mit geraden Flanken nach DIN 867; unempfindlich gegen Änderungen des Achsabstands | Getriebe- und Antriebstechnik allgemein |
| Zykloidenverzahnung | anschmiegende Flankenpaarung, geringer Flankenverschleiß; Achsabstand muss exakt stimmen | Uhrwerke, Zykloidgetriebe, Roots-Gebläse |
| Hirth-Verzahnung | axial wirkende Planverzahnung, 60°-Stirnverzahnung mit radialen Zähnen, selbstzentrierend, wälzt nicht ab | Kupplungen, Rundschalttische (Teilgenauigkeit bis zu einer Bogensekunde), Turbinen- und Verdichterläufer |
| Kerbverzahnung | Welle-Nabe-Verbindung nach DIN 5481, konstanter Lückenwinkel 60° an der Welle, nicht axial verschiebbar | Übertragung mittlerer bis großer Drehmomente |
Daneben nennt Wikipedia als weitere Systeme die Triebstockverzahnung und die Wildhaber-Novikov-Verzahnung mit Kreisbogenprofil; im Werkzeugmaschinenumfeld begegnen Ihnen aber fast ausschließlich Evolvente, Hirth-Verzahnung, Kerbverzahnung und die Bogenverzahnungen der Kegelräder. Ein Grund für die Dominanz der Evolvente liegt in der Fertigung: Die geraden Flanken des Bezugsprofils erlauben eine einfache Herstellung mit Standardwerkzeugen, etwa im Wälzfräsverfahren mit geradflankigem Fräser.
Modul, Eingriffswinkel, Schrägungswinkel: die Kennwerte einer Verzahnung
Wer eine Verzahnung beschreibt oder eine Verzahnungsmaschine auswählt, arbeitet mit wenigen Kenngrößen:
| Kennwert | Bedeutung | Formel / Wert |
|---|---|---|
| Modul m | Maß für die Zahngröße in mm; nur Räder mit gleichem Modul kämmen; genormt in DIN 780 | m = d / z = p / π |
| Teilkreisdurchmesser d | Bezugsdurchmesser der Verzahnung | d = m · z |
| Teilung p | Umfangsteilung am Teilkreis | p = π · m |
| Eingriffswinkel α | Standard in der Praxis 20°; 14,5° und 25° kommen vor | α = 20° |
| Kopfhöhe | Höhe des Zahnkopfs über dem Teilkreis | gleich dem Modul m |
| Grenzzähnezahl | darunter entsteht Unterschnitt | 17 bei α = 20°; in der Praxis gilt ab etwa 14 Zähnen Vorsicht |
Der Schrägungswinkel β beschreibt die Neigung der Zahnflanken bei Schrägverzahnungen. Der Unterschnitt – ein Untergraben des Zahnfußes bei zu kleiner Zähnezahl – tritt bei allen Wälzverfahren auf, also beim Wälzfräsen, Wälzstoßen und Wälzhobeln, und verkürzt die Eingriffsstrecke. Mit einer Profilverschiebung (Faktor x) lassen sich auch Räder mit weniger Zähnen ohne Unterschnitt fertigen, ohne den Modul zu ändern. Der Eingriffswinkel von 20° wird in der Praxis in aller Regel verwendet; bei manchen Fahrzeuggetrieben kommen zur Geräuschminderung 17,5° vor.
Rechenbeispiel. Ein Stirnrad mit 40 Zähnen und Modul 3 mm hat einen Teilkreisdurchmesser von d = 3 mm · 40 = 120 mm und eine Teilung von p = π · 3 mm ≈ 9,42 mm; die Zahnkopfhöhe entspricht mit 3 mm dem Modul. Ein Rad mit Modul 2 und 18 Zähnen kommt auf 36 mm Teilkreisdurchmesser und liegt damit über der Grenzzähnezahl von 17 (bei 20° Eingriffswinkel), braucht also keine Profilverschiebung gegen Unterschnitt. Das Beispiel zeigt auch, warum der Modul ein Maschinenmerkmal ist: Er bestimmt, wie tief das Werkzeug schneiden muss und welche Schnittkräfte auftreten, und begrenzt damit, was eine Wälzfräs-, Wälzstoß- oder Schleifmaschine bearbeiten kann.
Innenverzahnung und Außenverzahnung
Bei der Außenverzahnung sind die Zähne nach außen gerichtet, bei der Innenverzahnung – dem Hohlrad – nach innen. Zwei Außenräder kehren beim Kämmen den Drehsinn um, ein Außenrad im Hohlrad behält ihn bei. Die konkaven Flanken der Innenverzahnung umschließen die konvexen des Ritzels, die Flanken „schmiegen“ sich aneinander; das senkt die Flankenpressung, erlaubt höhere Drehmomente bei gleichem Verschleiß und verkürzt den Achsabstand. Weil die Fertigung aufwendiger ist, bleibt die Innenverzahnung überwiegend auf Planetengetriebe beschränkt.
Fertigungstechnisch ist die Innenverzahnung der Grund, warum es neben dem Wälzfräsen weitere Verfahren gibt: Das Wälzstoßen ist das klassische Verfahren, alternativ kommen Räumen (vor allem in der Massenfertigung) und Wälzschälen infrage. Große Innenverzahnungen lassen sich auf großen Wälzfräsmaschinen mit Innenfräskopf fräsen. Mehr dazu auf den Seiten Innenverzahnung und Wälzstoßen.
Verzahnungsqualität: von DIN 3961 zu ISO 1328
Die Genauigkeit einer Verzahnung wird in Qualitätsklassen angegeben. Nach der klassischen DIN 3961 gibt es zwölf Stufen, wobei 1 die feinste und 12 die gröbste Qualität ist. Wikipedia ordnet den Fertigungsverfahren folgende Bereiche zu:
| Fertigungsverfahren | Qualität nach DIN 3961 |
|---|---|
| Honen | 1 bis 6 |
| Schleifen | 1 bis 7 |
| Schaben, Kaltwalzen | 5 bis 7 |
| Wälzfräsen, Wälzhobeln, Wälzstoßen | 5 bis 9 |
| Formfräsen, Formstoßen, Räumen | 7 bis 12 |
| Stanzen, Pressen, Sintern, Spritzgießen | 8 bis 12 |
DIN 3961 (Toleranzen für Stirnradverzahnungen, Ausgabe August 1978) ist inzwischen zurückgezogen und durch DIN ISO 1328-1:2018-03 ersetzt. Die Tabelle dient deshalb als Größenordnung, nicht als Zusage für eine konkrete Maschine. Für gehärtete Außenverzahnungen nennt EMAG beim Schälwälzfräsen ISO-1328-Qualitäten von 6 bis 7. Welche Qualität eine bestimmte Verzahnungsmaschine tatsächlich liefert, belegt ein Prüfprotokoll – bei gebrauchten Maschinen ein wichtiges Dokument.
Vom Bauteil zur Maschine: Modul und Durchmesser als Auswahlkriterium
Wer eine Verzahnungsmaschine kauft, verkauft oder ersetzt, geht von den Bauteilen aus: Welcher Modul, welcher Durchmesser, welche Zahnbreite und welche Verzahnungsart müssen gefertigt werden? Die Bandbreite ist enorm. Liebherr nennt für seine Wälzfräsmaschinen Werkstücke ab 20 mm Durchmesser; die Baureihe LC 200 bis 500 arbeitet bis Ø 500 mm und Modul 7 beziehungsweise 12, die größten Baureihen bis Ø 12.000 mm und Modul 60. Diese Größenordnungen erklären, warum es keine „Universalmaschine für alle Zahnräder“ gibt und warum die Angaben auf dem Typenschild für den Wert einer gebrauchten Maschine so wichtig sind.
Wie entstehen Verzahnungen? Verfahren und Maschinentypen
Fast alle spanenden Verfahren beruhen auf einem von zwei Prinzipien. Bei den Wälzverfahren wälzen sich die Werkzeugschneiden senkrecht zur Schnittbewegung auf dem Rohling ab; die Einhüllende der Schneidkanten ergibt die evolventenförmige Zahnform. Bei den Profilverfahren bildet das Werkzeug die Zahnlücke direkt ab – etwa ein Scheibenfräser, der für jeden Modul und jede Zähnezahl ein eigenes, vergleichsweise teures Werkzeug braucht, oder ein Räumwerkzeug. Zur Feinbearbeitung kommt zusätzlich das Honen für Oberflächengüte und Geräuschminderung. Umformende Verfahren wie Schmieden, Sintern oder Spritzgießen bleiben Anwendungen mit geringerer Präzision vorbehalten.
| Verfahren | Prinzip | Typisch für | Maschinentyp |
|---|---|---|---|
| Wälzfräsen | kontinuierlich: Fräser (Schnecke) und Werkstück wälzen gekoppelt ab, Axialvorschub | Außenverzahnungen, Wellen, Schnecken und Schneckenräder | Wälzfräsmaschine |
| Wälzstoßen | Schneidrad mit Hubbewegung wälzt wie ein Planet im Hohlrad | Innenverzahnungen, Sacklöcher, Außenverzahnungen ohne Auslauf | Wälzstoßmaschine |
| Wälzhobeln | kammförmiges Werkzeug mit geraden Flanken | sehr große Räder, keine Innenverzahnung | Wälzhobelmaschine |
| Wälzschälen | kontinuierliches Wälzen bei gekreuzten Achsen | Innen- und Außenverzahnungen, kleine Losgrößen, Störkonturen | Wälzschälmaschine |
| Räumen | Werkzeug mit gestaffelten Schneiden, meist ein Durchgang | Innenverzahnungen in der Massenfertigung | Räummaschine |
| Verzahnungsschleifen | Wälzschleifen mit Schleifschnecke oder Profilschleifen Lücke für Lücke | gehärtete Verzahnungen, höchste Genauigkeit | Zahnradschleifmaschine |
| Kegelradfräsen | kontinuierlich mit Messerkopf (Zyklo-Palloid, Palloid) | Spiralkegelräder | Kegelradverzahnungsmaschine |
Die Werkstoffe reichen von Stahl und Edelstahl über Bronze und Messing bis zu Kunststoffen. Bei Stahlverzahnungen nennen Zahnradhersteller unter anderem 16MnCr5, 20MnCr5, 18CrNiMo7-6, 42CrMoS4 und 15CrNi6. Werden Zahnräder gehärtet, folgt der Weichbearbeitung eine Hartfeinbearbeitung durch Schleifen oder Hartschälen. Verzahnungen finden sich im Maschinen- und Sondermaschinenbau, in der Antriebs- und Getriebetechnik, in der Medizintechnik sowie in der Lebensmittel- und Pharmaverarbeitung. Liebherr-Verzahnmaschinen werden vor allem von der Pkw-, Lkw- und Baumaschinenindustrie nachgefragt, zunehmend auch von der Windindustrie für Getriebe von Windkraftanlagen. Wie die Fertigung im Ganzen abläuft, beschreibt die Seite Zahnrad herstellen.
Maschinenbezeichnungen im Handel und die Rolle der Messtechnik
Im Gebrauchtmaschinenhandel begegnen Ihnen für ähnliche Maschinenarten unterschiedliche Bezeichnungen, meist so: Zahnrad-Abwälzfräsmaschine, Zahnradfräsmaschine oder Wälzfräsmaschine für das Wälzfräsen, Zahnradstoßmaschine oder Wälzstoßmaschine für das Wälzstoßen, Zahnradschleifmaschine oder Zahnflankenschleifmaschine für das Schleifen, Kegelradfräsmaschine für Kegelräder und Wälzschälmaschine für das Wälzschälen. Hinzu kommen Verzahnungsmessmaschinen: Sie prüfen die gefertigte Verzahnung und liefern die Messprotokolle, die eine erreichte Verzahnungsqualität belegen; ein Zahnradhersteller nennt als Beispiele Verzahnungsmessmaschinen von Klingelnberg und Mitutoyo. Wer eine Fertigungslinie auflöst, sollte deshalb Messmaschine und Prüfprotokolle mitdenken.
Verzahnungsmaschine verkaufen
Wir kaufen Ihre Verzahnungsmaschine an oder vermitteln sie an einen Käufer aus unserem Netzwerk. Wir bewerten die Maschine anhand von Typenschild, Baujahr, Modul- und Durchmesserbereich, Steuerung und Zustand und koordinieren Demontage und Transport; die Zahlung erfolgt vor der Abholung. Eine erste Rückmeldung erhalten Sie in der Regel innerhalb von 24 Stunden. Alle Maschinentypen im Überblick finden Sie unter Ankauf von Verzahnungsmaschinen, einzelne Typen unter Wälzfräsmaschinen, Wälzstoßmaschinen, Zahnradschleifmaschinen und Kegelradverzahnungsmaschinen. Was Ihre Maschine wert sein kann, erklärt Was ist meine Verzahnungsmaschine wert?.
Quellen
- tec-science: Herstellung von Zahnrädern – Wälz- und Profilverfahren im Vergleich.
- tec-science: Überblick über die Getriebearten und Zahnräder – Stirnrad, Kegelrad, Schneckenrad.
- Wikipedia: Evolventenverzahnung – Bezugsprofil DIN 867, Modulreihe DIN 780, Eingriffswinkel.
- Wikipedia: Zahnrad – Zahnradarten und Verzahnungsqualität nach DIN 3961.