Wie machen wir... Zähne?

Im Motor verbinden Zahnräder Kurbel- und Nockenwellen zur Steuerung der Ventile und übertragen das Drehmoment für verschiedene Aggregate wie Kraftstoff- und Ölpumpen oder die Lichtmaschine. Die Räder eines Zahnradgetriebes drehen sich zusammen mit den Wellen, auf denen sie befestigt sind, oder drehen sich auf Achsen. „Das Zahnrad ist sozusagen das Herz des Motors. Es ist unverzichtbar als Antriebs und Steuerungselement“, beschreibt Markus Bucher, Leiter des Competence Centers Nockenwelle und Zahnrad bei MTU Friedrichshafen, die Aufgabe des Zahnrads im Motor. Die Zähne greifen ineinander, damit wird die Drehbewegung des einen Zahnrades auf das andere übertragen. „Das Ganze funktioniert wie ein Uhrwerk“, erklärt Bucher. In der unternehmenseigenen Zahnradfertigung werden mehr als 700 verschiedene Zahnräder gefertigt – diese werden auch an die Produktionsstandorte in Aiken (USA) und Suzhou (China) geliefert. Aber wie kommen die Zähne gleichmäßig ans Rad?

Rohlinge kommen „zahnlos“ an

Zahnräder mit geringen Stückzahlen werden auf Einzelmaschinen, Zahnräder mit großen Stückzahlen wie für Motoren der Baureihen 2000 und 4000, werden in Serie gefertigt. Die Rohlinge werden vorab auf einer Drehmaschine grob bearbeitet, dann beginnt entlang einem zwölf Meter langem Förderband die Weichbearbeitung. Ab diesem Zeitpunkt funktioniert alles wie von selbst: Die Zahnräder laufen nur wenige Sekunden auf dem Band, bis sich die Verzahnungsfräsmaschine eins nach dem anderen mit einem Ringlader automatisch greift und in den noch weichen Stahl die Verzahnung fräst. Dabei dreht sich das Rad in der Walzfräsmaschine so schnell, dass das menschliche Auge nicht mehr hinterher kommt. Beim Fräsen spritzt das Öl in der Maschine und das Material wird aus dem Rohling entfernt. Der Walzfräser sieht aus wie eine Schnecke: Mit ihm lassen sich Zähnezahlen, Profilverschiebungen und beliebige Schrägungswinkel durch Variieren der Maschinenstellungen erzeugen. Die Anzahl und die Maße der gefrästen Lücken hängen von der Baureihe ab. Ein mittelgroßes Zahnrad hat 89 Zähne, die eine Tiefe von einem Zentimeter haben. „Das sind dann eher Lücken, als Zähne“, so Bucher. Innerhalb von drei Minuten entsteht aus dem Rohling ein Rad mit Lücken. „Ein rotierender Frässtift entfernt dann die nach dem Verzahnen scharfkantigen Grate“, so Bucher. Die Weichbearbeitung der Zahnräder wird in einer Durchlaufwaschmaschine abgeschlossen: Hier verschwinden die Zahnräder unter einer Haube und das kühlende und schmierende Öl wird entfernt. Anschließend werden die Zahnräder von einer Roboterhand aufgenommen, nach Gewicht und Größe zugeordnet, in einen Behälter gestapelt und in die Wärmebehandlung übergeben.

Innerhalb kürzester Zeit entsteht so aus dem Rohteil ein Rad mit Zähnen, das Laien schon fast für fertig halten könnten. In diesem Zustand würden die Zähne im Betrieb nur wenige Stunden halten, da sie im Motor enormen Beanspruchungen ausgesetzt sind. Temperaturen von mehr als 900 Grad, eine gezielte Anreicherung der Randzone mit Kohlenstoff und ein Abschreckungsprozess in einem Ölbad machen die Zahnräder erst richtig robust. Das weiche und damit veränderbare Material wird hart.

Nach der Wärmebehandlung folgt die Feinarbeit auf der Hartbearbeitungslinie. „Die Anforderungen an das Zahnrad lassen hier nur wenige tausendstel Millimeter Toleranz zu. Da muss alles passen“, sagt Schichtleiter Andreas Drach. Auch hier werden die Zahnräder auf ein rund zwölf Meter langes Transportband gelegt. Die Zahnräder durchlaufen hintereinander eine Hartdrehmaschine, eine Verzahnungsschleifmaschine und eine Durchlaufwaschmaschine. Mit der Rissprüfung und eventuellem komplettieren einer Lagerbuchse sind die Räder fertig zum Verpacken. Dann werden sie in dem „Supermarkt“, der die Verbraucher direkt beliefert, gelagert.