Und hier liegt die Aufgabe für die Auslegung einer Hypoid-Achse eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs. War bisher der Fokus auf der Zugseite, also auf dem Traktionsbetrieb, so muss jetzt der Schubseite wegen der hohen Bremsmomente beim Rekuperieren besondere Beachtung geschenkt werden. Abbildung 1 zeigt die Wirkung der Zahnkräfte auf ein Hypoidgetriebe. In den beiden unteren Darstellungen ist der Ritzelkopf nicht abgebildet. Die auf das Tellerrad wirkenden Kräfte sind als Pfeile und die auf das Ritzel wirkenden Reaktionskräfte als gestrichelte Pfeile gekennzeichnet.

Im Zugbetrieb treiben die konkave Ritzelflanken die konvexen Tellerradflanken an. Der Normalkraft eines Ritzelzahns, die durch das Antriebsmoment des Motors entsteht, wirkt die gleich große Gegenkraft des Tellerradzahnes entgegen. Diese auf das Ritzel wirkende Kraft lässt sich in zwei Richtungen aufteilen: in eine axiale Richtung, die das Ritzel in das eingezeichnete Kegelrollenlager hinter dem Ritzelkopf drückt und in eine vertikale Richtung, die entgegen dem Achsversatz des Ritzels wirkt. Dies ist ein gutartiger Lastfall, da die zu erwartenden Verformungen der Lager und des Getriebegehäuses das Zahnspiel vergrößern. Außerdem ist die axiale Steifigkeit für den Ritzelschaft vom Getriebemittelpunkt weg (in Abbildung 1 nach rechts) weitaus größer als in die andere Richtung.

Beim Schubbetrieb wirken die Kräfte des Tellerrades auf das Ritzel genau in die andere Richtung. Hier wird neben einer Vergrößerung des Achsversatzes das Ritzel in Abbildung 1 nach links in das Getriebe hineingezogen.

Abbildung 2 zeigt den Ease-Off und die sich aus den Drehmoment bedingten Verlagerungen mit den zugehörigen ergebenden Lasttragbildern. Die lastbedingten Verlagerungen des Ritzels betragen bei 1.000 Nm in Zugbetrieb ΔV= -0,21 mm und ΔH= +0,29 mm. Durch die geringere axiale Steifigkeit des Achsgetriebes in negativer ΔH-Richtung sind die gerechneten Verlagerungen des Ritzels bei 500 Nm im Schubbetrieb ΔV= +0,16 mm und ΔH= -0,35 mm.

Wenn im Schubbetrieb die Belastung bei 500 Nm liegt, ist sie noch im unkritischen Bereich. Beim Rekuperieren mit hoher Bremsleistung treten weitaus höhere Momente auf. Bei einer Bremsleitung von 250 kW und einer Geschwindigkeit von 70 km/h ergeben sich für unser Beispiel 1.500 Nm resultierendes Drehmoment am Ritzel. Das führt bei diesem Getriebe zu Verlagerungen von ΔV= +0,3 mm und ΔH= -1,02 mm. Und genau dies ist der kritische Fall. Das Zahnspiel wird kleiner, zusätzlich verringert sich das Kopf-Fuß-Spiel, so dass es im ungünstigen Fall zum Klemmen der Verzahnung kommt. Dem lässt sich mit einem genügend großen Zahnflanken- und Kopf- Fuß-Spiel begegnen.

Man erkennt in Abbildung 3 sofort, dass für die Schubseite das Tragbild ein ausgeprägter Kantenträger ist mit dem Maximum der Pressung von nahezu 1.300 MPa an der Kante des Ritzelzahnkopfes nahe der Zehe. Die Zahnflankenform für die Schubseite ist offensichtlich nicht geeignet, für die hohe Last und der damit einhergehenden Verlagerung einen sinnvollen Zahnkontakt sicherzustellen.

Die vier Parameter sind die Tiefe X, die Radiale S, die Wiegenwinkel q, um den die Radiale aus der Zeichenebene gedreht ist und der Grundwinkel Γ. Erzeugt man eine Zahnlücke zunächst mit der nicht-modifizierten Tauchposition und wendet danach die modifizierte Tauchposition an, so ergibt sich eine Rücknahme des Zahnendes, wie es in Abbildung 5 oben rechts gezeigt ist. Bei Modified Crowning werden nun mehrere modifizierte Tauchpositionen berechnet und diese durch eine glatte Bewegung miteinander verbunden. Dadurch erhält man eine knickfreie, stetig zunehmende Rücknahme eines Zahnendes, wie es im unteren rechten Teil der Abbildung 5 zu sehen ist.

Dieses Beispiel zeigt die Rücknahme des Zahnendes an der Ferse. Es ist aber genauso möglich, das Zahnende an der Zehe zurückzunehmen. So lässt sich Modified Crowning für die Auslegung eines elektrischen Antriebsstranges mit einem Hypoidgetriebe anwenden, deren hohe Bremsmomente zu exzessiven Verlagerungen führen.

Abbildung 7 zeigt das Ergebnis der Optimierung, welches mit dem KIMoS-System von Klingelnberg erreicht wurde.

Die Klingelnberg Fräs- und Schleifmaschinen sind in der Lage, mit diesem Maschineneinstellungen Kegelräder im Face-Hobbing oder Face-Milling zu fräsen oder im Face-Milling zu schleifen.

Obwohl der Ease-Off auf den ersten Blick sehr ungewöhnlich aussieht, hat er doch alle Eigenschaften, die benötigt werden. Der lastlose Drehfehler liegt sowohl im Zug als auch im Schub unter 25 μrad. Das lastlose Tragbild liegt sauber begrenzt innerhalb der Zahnflanke. Das Lasttragbild weist trotz der exzessiven Verlagerungen kein Kantentragen auf, ebenso ist das Maximum der Pressung in einem Bereich, bei dem keine Grübchenschäden zu befürchten sind.

Modified Crowning ist ein ausgehend von der Idee im Jahr 1994 seit Jahren fertig entwickeltes Verfahren, welches zusammen mit Modified Motion Zahnflankenmodifikationen ermöglicht, die auch bei bisher nicht vorhandenen sehr großen Verlagerungen immer noch einen günstigen Zahnkontakt gestatten. Gerade für Anwendungen in der elektrischen Antriebstechnik von Fahrzeugen ist diese Möglichkeit eine notwendige Voraussetzung für eine erfolgreiche Getriebeauslegung.