Kroonwiel draait door; Vlakke vertanding nu in hard metaal gefreesd

Midden in de hal van de Rademakers tandwielfabriek staat een gloednieuwe freesmachine. Fris blauw geverfd en zo groot als een vakantiebungalow. Door de ramen kijken we naar het frezen. Het is een interessant gezicht. Een schijf glimmend staal draait langzaam rond terwijl een ook al langzaam draaiende en ingewikkeld gevormde cirkelzaag kleine hapjes uit de verhoogde rand van de schijf neemt. Na een minuut of acht is de cirkelzaag klaar met happen en de rand van de schijf is voorzien van een soort kartelrand. Wat we nu hebben is een kroonwiel met een vlakke vertanding en het bewijs dat een afwikkelfrees (de ingewikkeld gevormde cirkelzaag) dat karwei kan klaren.

Ruim anderhalf jaar geleden kwam Crown Gear met zijn kroonwiel in het nieuws. Het werd gepresenteerd als een alternatieve manier om haakse overbrengingen te verwezenlijken. Tot nu toe wordt dat type overbrenging geheel verzorgd door twee kegelvormige tandwielen die in een hoek van 90º in elkaar draaien.

Een overbrenging met kroonwiel - waarbij het grote wiel een vlakke vertanding heeft en het kleine wiel als een recht rondsel is uitgevoerd - heeft in principe belangrijke voordelen. Om te beginnen is de overbrengingsverhouding veel minder beperkt. Kegelvormige tandwielen kunnen niet verder dan 1:6, kroonwiel en rondsel wel tot 1:25. Belangrijker nog is dat conische wielen heel precies ten opzichte van elkaar gemonteerd moeten worden, terwijl bij het kroonwiel het rondsel best een beetje in de lengterichting heen en weer mag schuiven ("axiale vrijheid'). Tot slot is het rondsel aan beide kanten te lageren, een conisch wiel slechts aan een kant.

Het principe van het kroonwiel bestond al lang, in windmolens bijvoorbeeld, maar in de werktuigbouw kwam het niet voor. Dat heeft een eenvoudige oorzaak: het kroonwiel is moeilijk te fabriceren. De tandflanken hebben een gecompliceerd en verlopend profiel. Ze worden naar binnen toe steiler en bovenop de tand verschijnt een plat kantje. De enkele kroonwielen die er gemaakt zijn waren het resultaat van een langdurig slijtageproces, waarbij een rondsel, geholpen door een krachtige elektrische stroom, zich in de stalen schijf invrat ("vonkerosie'). Dat kan wel dagen duren.

Frezen

De normale wijze van tandwielfabricage is frezen: scherpe beitels die millimeter voor millimeter stukjes metaal wegschrapen. Vaak wordt een "afwikkelfrees' gebruikt. Het te bewerken staal beweegt dan langzaam en continu onder de roterende freesbeitel door en met die combinatie van verschillende bewegingen kunnen de fraaiste groeven en vertandingen tevoorschijn worden getoverd. De verlopende tanden van het kroonwiel waren voor de afwikkelfrees te moeilijk, maar stug denk- en ontwikkelingswerk bij Crown Gear en de TU Eindhoven hebben daar verandering in gebracht. In het kader van een STW-project maakte de Faculteit Werktuigbouwkunde van de TU Eindhoven onder leiding van prof.dr.ir. M.J.W. Schouten een wiskundig model van de vorm van de kroonwieltanden en na het nodige simuleren op de computer lukte het een frees te fabriceren die precies de juiste hapjes uit het staal nam. De preciesiefreesmachine die nu in de hal van Rademakers staat - het bedrijf waar Crown Gear voorlopig te gast is - kan met zeer kleine toleranties werken. Hij heeft dan ook meer dan een miljoen gulden gekost. Op het freesprocédé is patent verkregen en dit en de nauwkeurigheid waarmee gewerkt kan worden zijn de troeven van het jonge bedrijf.

Schuin

In eerste instantie was het de bedoeling de vlakke tanden van het kroonwiel schuin te laten lopen, met een eveneens schuin vertand rondsel. Het voordeel daarvan is dat er steeds een aantal tanden in aangrijping is. Dat is stiller en er kan meer vermogen worden overgebracht. Ir. B.R. van Neerbos, directeur van Crown Gear, liet vorig jaar vol trots een schitterend kroonwiel met schuine vertanding zien. Dat was nog het resultaat van een paar honderd uur vonkerosie. Pogingen om de schuine vertanding met een afwikkelfrees te maken zijn nog niet gelukt. Toen op de computer het frezen werd gesimuleerd bleek dat de gewenste, ingewikkelde tandvorm inderdaad feilloos werd uitgefreesd. De euforie hierover werd echter danig gesmoord toen bleek dat bij het frezen van de volgende tand tand de eerste tand weer zorgvuldig door de freesbeitel werd verwoest.

Crown Gear houdt zich voorlopig dus maar bij de rechte vertanding, al sluiten de ingenieurs niet uit dat er nog wel eens een freesmethode voor een schuine vertanding wordt bedacht. Voor verschillende geïnteresseerde bedrijven worden nu op bestelling de kroonwielen gefreesd. Het gaat nog om prototypen, maar de belangstelling is groot.

Het zal nog wel even duren voordat het kroonwiel op grote schaal wordt toegepast. Voor sommige takken van bedrijvigheid, zoals de automobielindustrie geldt dat men wacht tot de kosten even hoog of lager zijn dan de gebruikelijke conische tandwielen. Voor militaire toepassingen en in de landbouwwerktuigsector geldt dat minder; daar wegen de voordelen van het kroonwiel zwaar. Vooral de mogelijkheid van vermogenssommering ontmoet het nodige enthousiasme: één kroonwiel kan vrij gemakkelijk door een aantal rechte rondsels worden aangedreven. Als op elk rondsel een kleine motor staat is een stabiele en compacte aandrijfunit te maken, die ook door blijft gaan als een van de motoren uitvalt.

Schepen

De laatste tijd staat een spin off van het kroonwiel nogal in de belangstelling. Het is een conisch kroonwiel. Op het eerste gezicht lijkt het erg op een gewoon conisch tandwiel, maar het grote verschil is dat dankzij de speciale, verlopende kroonwielvertanding het wiel weer met een recht rondsel kan worden gecombineerd. Axiale vrijheid derhalve, en de mogelijkheid door het variëren van de vertandingshoek elke hoek te kiezen die men maar wil. Van Neerbos ziet grote mogelijkheden voor landbouwwerktuigen en schepen. In schepen vormt de hoek tussen motorkrukas en schroefas een traditioneel probleem. Kruiskoppelingen kunnen maar een beperkt vermogen overbrengen, een conisch kroonwiel aan de motor-as en een recht rondsel op de schroefas is volgens Van Neerbos een veel betere oplossing.