6 Arten von Nieten, ihre Anwendungen und Alternativen zur Verbindung von Metall
In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf eine der ältesten Methoden, zwei Teile miteinander zu verbinden: die Niete. Von ägyptischen…
Zahnräder sind rotierende Maschinenelemente, die das Drehmoment von einer Welle auf eine andere über die in sie eingearbeiteten Zähne übertragen. Zahnräder mit ähnlichem Zahnprofil greifen ineinander. Dadurch kann die Kraft von einer antreibenden auf eine angetriebene Welle übertragen werden.
Verschiedene Zahnradtypen kommen in Maschinen zum Einsatz, da sie für unterschiedliche Kräfte und aus unterschiedlichen Materialien ausgelegt werden können. Sie dienen auch dazu, die Drehzahl zu erhöhen oder zu verringern sowie die Drehrichtung zu ändern.
Zahnräder können ebenso zum Fördern von Flüssigkeiten verwendet werden, wie es beispielsweise bei Zahnradpumpen für Heizöl und Schmieröl der Fall ist. Sie greifen so präzise ineinander (positive Verdrängerpumpe), dass die Flüssigkeit mit hohem Förderdruck weitergedrückt wird.
Auch in Flaschenzügen werden Zahnräder eingesetzt, um schwere Lasten mühelos zu heben. Zahnräder sind daher ein zentrales Bauteil der meisten Geräte, da sie äußerst vielseitig sind und eine Vielzahl von Aufgaben erfüllen können.
Zahnräder und Kettenräder übertragen beide das Drehmoment über Zähne. Auf den ersten Blick sehen sie ähnlich aus, es gibt jedoch deutliche Unterschiede, die eine einfache Unterscheidung ermöglichen.
Ein Kettenrad
Es gibt viele Zahnrädertypen, von denen jeder bestimmte Vor- und Nachteile bietet. Die Auswahl richtet sich nach den Anforderungen des Konstrukteurs an das Getriebe. Zu berücksichtigende Faktoren sind:
Anhand dieser Faktoren wird weiter eingeschränkt, ob die Zahnräder auf parallelen/nicht-parallelen bzw. sich schneidenden/nicht schneidenden Achsen arbeiten. Im Folgenden werden die verschiedenen Optionen und deren Eigenschaften erläutert.
Das Stirnrad ist der am häufigsten verwendete Zahnradtyp. Sein einfaches und effektives Design ermöglicht eine breite Anwendungspalette. Die Zähne sind parallel und gerade auf dem zylindrischen Zahnradkörper angeordnet.
Stirnräder werden paarweise auf parallelen Achsen verwendet. Sie eignen sich hervorragend für Anwendungen mit mittlerer Belastung und mittlerer Geschwindigkeit und kommen dort zum Einsatz, wo Lärm und Vibrationen keine Rolle spielen.
Zwei unterschiedlich große Stirnräder können zur Veränderung von Drehmoment und Drehzahl eingesetzt werden. Das einfache Design ermöglicht eine hohe Fertigungspräzision. Ein weiterer Vorteil ist die hohe Übertragungseffizienz ohne axiale Belastung der Welle.
Zu den Nachteilen zählen hohe Geräuschentwicklung und Vibrationen bei hohen Drehzahlen sowie die starke Beanspruchung der Zähne, was die Belastbarkeit einschränkt.
Stirnräder lassen sich mit einer Zahnstange kombinieren, um Rotationsbewegung in lineare Bewegung umzuwandeln. Eine Zahnstange ist eine gerade Leiste mit eingearbeiteten Zähnen, die das gleiche Profil wie das Stirnrad aufweisen.
Die Zähne des Stirnrads greifen wie bei zwei Stirnrädern mit denen der Zahnstange ein. Dreht sich das Zahnrad, bewegt es die Zahnstange geradlinig.
Das Zahnstangensystem, auch als Zahnstangenantrieb bekannt, findet sich in vielen Produkten wie Autos, Treppenliften oder Eisenbahnen. Es dient beispielsweise dazu, Maschinenparameter feinzujustieren, etwa die Kraftstoffzufuhr bei einer Dieselpumpe zu steuern.
Stirnräder können mit einem Innenzahnrad kombiniert werden, um ein Planetengetriebe zu bilden. Ein Innenzahnrad besitzt seine Zähne auf der Innenseite eines ringförmigen Zahnradkörpers. Es greift mit im Inneren angeordneten Stirnrädern zur Kraftübertragung ineinander.
Innenzahnrad-Mechanismen gibt es als Planeten-, Sonnen- und Sterngetriebe. Je nach Anwendung und Anforderungen lassen sich verschiedene Übersetzungsverhältnisse und Drehrichtungen erzielen.
Innenzahnräder werden in vielen Branchen als Reduktionsgetriebe eingesetzt. Sie sind optimal für die Änderung von Übersetzungsverhältnissen in Fahrrädern, Uhren und Automatikgetrieben von Autos.
Schrägverzahnte Zahnräder ähneln Stirnrädern in Aufbau und Anwendung, nutzen jedoch ebenfalls das parallele Achsenprinzip, wobei die Zähne jedoch schräg angeordnet sind. Würde man die Zähne verlängern, ergäben sie eine Helix um die Welle – daher der Name.
Im Unterschied zu Stirnrädern kommen die Zähne schrägverzahnter Zahnräder allmählich in Kontakt, was Stoßbelastungen vermeidet. Durch diese allmähliche Belastung stehen stets mehrere Zahnpaare im Eingriff. Die Lastverteilung ermöglicht schrägverzahnten Zahnrädern höhere Belastungen als Stirnrädern.
Die allmähliche Belastung reduziert außerdem Lärm und Vibrationen, weshalb dieser Zahnradtyp ideal für hohe Lasten und hohe Drehzahlen ist.
Die Verwendung schrägverzahnter Zahnräder erzeugt jedoch axiale Kräfte, weshalb sie von Axiallagern gestützt werden müssen. Ein Paar besteht aus einem Zahnrad mit Links- und einem mit Rechtsdrall, im Gegensatz zu Stirnrädern, deren Zähne immer parallel zur Achse verlaufen.
Doppelschrägzahnräder sind eine besondere Art schrägverzahnter Zahnräder und wurden entwickelt, um den hohen Axialschub einfacher Schrägzahnräder zu vermeiden.
Doppelschrägzahnräder kombinieren zwei gegenläufige Zahnorientierungen, meist in der Mitte der Zahnradfläche. Der durch die linke Zahnreihe erzeugte Axialschub wird durch die rechte ausgeglichen, sodass kein Axiallager erforderlich ist.
Typische Anwendungen für Doppelschrägzahnräder sind Antriebsmaschinen wie Gasturbinen und Generatoren. Sie finden sich auch in Lüftern, Pumpen und Kompressoren.
Wie bei einfachen Schrägzahnrädern bieten auch Doppelschrägzahnräder einen ruhigen und leisen Lauf bei allen Drehzahlen.
Das pfeilverzahnte Zahnrad ist eine Sonderform des Doppelschrägzahnrads. Während beim Doppelschrägzahnrad eine Nut zwischen den Zahnreihen liegt, fehlt diese beim pfeilverzahnten Zahnrad.
Dieses Design kompensiert die Axialkräfte jeder Zahnreihe, sodass größere Winkel möglich sind und das Ausfallrisiko sinkt.
Meistens werden gekreuzte Achsen verwendet, bei denen die beiden Wellen senkrecht zueinander stehen. Die Kraft wird vom pfeilverzahnten auf ein normales Doppelschrägzahnrad übertragen.
Pfeilverzahnte Zahnräder erzeugen keinen Axialschub und garantieren einen leisen, gleichmäßigen und effizienten Betrieb bei allen Drehzahlen und Lasten.
Das Schraubrad, auch als gekreuztes Schrägzahnrad bekannt, überträgt Bewegung zwischen nicht parallelen, nicht schneidenden Achsen.
Während Schrägzahnräder meist auf parallelen Achsen arbeiten, sind es beim Schraubrad 90 Grad.
Die Zähne eines Schraubrads sind helixförmig. Sie bilden nur einen Punktkontakt zwischen den Zahnrädern und sind daher für hohe Lasten und hohe Geschwindigkeiten wenig geeignet. Die Effizienz ist geringer als bei anderen Schrägzahnrädern.
Eine Besonderheit ist, dass Schraubräder beim Eingriff immer das gleiche Zahnhandpaar nutzen, wobei die Bewegung durch das Gleiten der Zahnflanken übertragen wird. Eine Schmierung ist daher unbedingt erforderlich. Es bestehen keine Einschränkungen bezüglich der Zähnezahlkombination.
Kegelräder sind konisch geformte Zahnräder, deren Zähne auf der Kegelfläche verlaufen. Die Kegelspitze ist abgeschnitten. Die beiden Zahnräder werden meist auf sich kreuzenden, senkrecht stehenden Achsen angeordnet.
Eine der häufigsten Anwendungen von Kegelrädern ist die Änderung der Kraftübertragungsachse. Dabei lassen sich durch unterschiedliche Zahnradgrößen Drehzahl und Drehmoment gezielt beeinflussen.
Auch der Winkel zwischen den Achsen kann vergrößert oder verkleinert werden, sie müssen also nicht unbedingt exakt rechtwinklig zueinander stehen.
Die Konstruktion des Kegelrads führt dazu, dass die Zähne beim Kontakt schlagartig aufeinandertreffen. Das verursacht, ähnlich wie beim Stirnrad, hohe Belastungen.
Diese schlagartige Belastung sorgt für Lärm und übermäßigen Zahnverschleiß, was die Lebensdauer und Belastbarkeit des Kegelrads einschränkt.
Daher werden gerade Kegelräder vorwiegend bei niedrigen Drehzahlen (weniger als 500 U/min oder 2 m/s Umfangsgeschwindigkeit) eingesetzt.
Trotz dieser Einschränkungen finden sie in vielen Branchen Anwendung. Beispiele sind Kraftfahrzeuge, Pumpen, Werkzeugmaschinen (Fräsen und Drehen), Verpackungsmaschinen, Regelventile und Gartengeräte. Sie sind zudem einfach herzustellen und daher in vielen Größen und preiswert erhältlich.
Spiral-Kegelräder wurden entwickelt, um die Nachteile gerader Kegelräder zu überwinden. Wie der Name andeutet, sind die Zähne spiralig angeordnet.
Beim Eingriff zweier Spiral-Kegelräder erfolgt der Kontakt allmählich. Dadurch werden Stoßbelastungen vermieden, da das vorherige Zahnradpaar, das den Kontakt verliert, noch einen Teil der Last trägt, bevor das nächste Zahnradpaar übernimmt.
Das sorgt für einen ruhigen und leisen Betrieb und erhöht die zulässige Belastung. Spiral-Kegelräder werden daher in hochbeanspruchten Anwendungen (Drehzahlen über 500 U/min) für einen sicheren und zuverlässigen Betrieb eingesetzt.
Dazu zählen beispielsweise die Kraftübertragung, Differenziale in Autos, Robotik sowie Bug- und Heckstrahlruder auf Schiffen.
Kegelritzel, auch Mittenräder genannt, sind Kegelräder mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:1. Ein Paar besteht immer aus gleich vielen Zähnen. Sie übertragen die Kraft zwischen sich kreuzenden Achsen.
Mittenräder werden eingesetzt, um ausschließlich die Drehrichtung zu ändern. Es erfolgt keine Änderung der Drehzahl oder des Drehmoments.
Mittenräder können gerade oder spiralverzahnt sein. Gerade Mittenräder haben den Vorteil, dass kein Axialschub auftritt, bringen aber die gleichen Einschränkungen wie gerade Kegelräder mit sich. Spiral-Mitternräder verursachen Axialkräfte und benötigen daher Axiallager.
Mittenräder greifen in der Regel unter 90 Grad ein, können jedoch auch für andere Winkel gefertigt werden. Werden sie bei anderen Winkeln zwischen 0 und 180 Grad eingesetzt, spricht man von Winkel-Mitternrädern. Übliche Einsatzbereiche liegen zwischen 45 und 120 Grad.
Das Hypoidrad ähnelt dem Spiral-Kegelrad, weist jedoch einige wesentliche Unterschiede auf. Im Gegensatz zu Spiral-Kegelrädern schneiden sich die Achsen beim Hypoidrad nicht.
Das Hypoidrad ist gegenüber dem Kronenrad (meist ein Spiral-Kegelrad) versetzt angeordnet, was bei der Paarung einen größeren Kontaktbereich ermöglicht. Das erhöht die Tragfähigkeit und die Lebensdauer des Getriebes.
Auch die Form des Hypoidrads unterscheidet sich: Der Körper ist ein um eine Achse rotierender Hyperboloid.
Ein Kegel entsteht, wenn ein rechtwinkliges Dreieck um eine Kathete rotiert. Ersetzt man die Hypotenuse (gerade Linie) durch eine Hyperbel und rotiert sie um die gleiche Achse, erhält man einen Hyperboloidkörper.
Diese Form passt perfekt zum Spiral-Kegelrad, da die beiden Zahnräder leicht versetzt zueinander angeordnet werden.
Im Vergleich zu Kegelrädern erreichen Hypoidräder durch das große Kontaktverhältnis eine höhere Übersetzungsleistung. Der größere Kontaktbereich erlaubt höhere Belastungen bei gleichzeitiger Reduktion von Lärm und Vibrationen.
Das Ineinandergreifen ist jedoch komplex und die Herstellung aufwendig. Hypoidräder werden vor allem in Differenzialgetrieben von Kraftfahrzeugen eingesetzt.
Hypoidräder ähneln in einigen Punkten Schneckengetrieben, bieten jedoch Vorteile: Weniger Gleitreibung reduziert den Energieverbrauch, der Versatz ist geringer und spart Platz, beide Zahnräder können wärmebehandelt werden, was die Festigkeit erhöht und kleinere Baugrößen ermöglicht.
Bei einem Schneckengetriebe greift eine Schnecke mit einem Schneckenrad ein und überträgt die Bewegung. Die Schnecke ähnelt einer Schraube und greift beim Drehen in ein zylindrisches Zahnrad (Schneckenrad).
Dieses System überträgt die Bewegung zwischen zwei nicht parallelen, nicht schneidenden Achsen. Schneckengetriebe bieten eines der höchsten Untersetzungsverhältnisse.
Eine Besonderheit ist, dass das Getriebe selbsthemmend sein kann: Das Schneckenrad kann die Schnecke bei einem bestimmten Anstellwinkel nicht antreiben, umgekehrt ist dies jedoch möglich. Dies wird in Anwendungen mit Selbsthemmungsfunktion genutzt.
Schneckengetriebe haben jedoch einige Nachteile. Die Übertragungseffizienz ist geringer als bei anderen Zahnradtypen. Da zwischen Schnecke und Schneckenrad beim Betrieb Gleitbewegung auftritt, ist eine kontinuierliche Schmierung für einen reibungslosen Betrieb unerlässlich.
Schneckengetriebe sind weit verbreitet, etwa in Autos, Lenksystemen, Aufzügen und Materialflusssystemen.
Nachdem wir die verschiedenen Zahnradtypen kennengelernt haben, können wir uns mit den technischen Begriffen rund ums Zahnrad beschäftigen.
Dies ist der maximale Durchmesser eines Zahnrads, also der Abstand vom Mittelpunkt des Zahnradkörpers zur Zahnspitze. Der Außendurchmesser markiert die äußerste Ausdehnung des Zahnrads.
Der Teilkreis zweier ineinandergreifender Zahnräder berührt sich an der Stelle, an der die Zähne Kontakt haben. Er verläuft ungefähr mittig durch den Zahn. Auf dem Teilkreis findet die Kraftübertragung statt, daher dient er als Grundlage für alle Berechnungen. Der Berührungspunkt wird als Teilpunkt bezeichnet.
Der Achsabstand ist der Abstand zwischen den Mittelpunkten zweier im Eingriff befindlicher Zahnräder. Eine korrekte Einstellung ist für eine effektive Drehmomentübertragung wichtig. Der Achsabstand ergibt sich aus der Summe der Teilkreisdurchmesser beider Zahnräder, geteilt durch zwei.
Als Zahnfuß bezeichnet man die Stelle, an der der Zahn in den Zahnradkörper übergeht – die Talsohle zwischen den unteren Punkten zweier benachbarter Zähne.
Der Zahnfußdurchmesser ist der Abstand vom Mittelpunkt des Zahnrads bis zum Zahnfuß. Die Zahnhöhe der ineinandergreifenden Zahnräder muss so gewählt werden, dass sie den Zahnfuß nicht überschreitet, um einen Kontakt zwischen Zahnspitze und Zahnfuß des anderen Zahnrads zu vermeiden.
Die Teilung ist der Abstand zwischen identischen Punkten zweier aufeinanderfolgender Zähne. Sie kann berechnet werden, indem der Umfang des Zahnrads an dieser Stelle durch die Anzahl der Zähne geteilt wird.
Allerdings kann der Begriff „Teilung“ verwirrend sein, da ihr Wert entlang der Zahnhöhe variiert. Daher muss auch der Durchmesser angegeben werden. Gängige Teilungsarten sind Kreisteilung, Normale Fußteilung und Winkelteilung. Die Kreisteilung ist der Abstand zwischen identischen Punkten zweier Zähne entlang des Teilkreises.
Der Modul gibt die Zahndichte an. Er wird berechnet, indem die Gesamtzahnzahl durch den Teilkreisdurchmesser geteilt wird, üblicherweise in Zähne pro Meter.
Das Zahnprofil beschreibt die Form eines Zahnradzahns. Es gibt zahlreiche Optionen: rechteckig, dreieckig, als Kreisbogen, aber auch komplexere Formen wie Parabel oder Evolvente.
Einfache Profile wie Rechteck oder Dreieck führen jedoch zu hohen Vibrationen, Lärm und ineffizienter Kraftübertragung durch starke Gleitreibung. Komplexe Profile verbessern Effizienz und Laufruhe. Nachfolgend die gängigen Zahnprofile.
Das Evolventenprofil ist heute das mit Abstand am häufigsten verwendete Zahnprofil. Es bietet zahlreiche Vorteile, etwa:
Das Zykloidenprofil ist das zweithäufigste Zahnprofil. Es stellt sicher, dass der Verschleiß gleichmäßig auf den gesamten Zahn verteilt wird. Zykloidenzähne werden in Uhren und Messinstrumenten eingesetzt. Für hochbelastete Anwendungen ist es aufgrund der schwierigen Herstellung selten.
Dieses Profil ist weniger verbreitet, hat aber den Vorteil eines langsamen Verschleißes aufgrund der ungleichmäßigen Bogenform. Es gibt zwei Varianten: Einfach- und Doppelbogen.
Die Zahnform ist zylindrisch und greift mit dem Gegenrad ein. Mitunter passt ein konvexer Bogen in einen konkaven, um die Übertragung zu verbessern. Allerdings ist dieses Profil schwerer herzustellen als das Evolventenprofil.
Zahnräder werden aus verschiedenen Werkstoffen gefertigt, was auch die Wahl der Oberflächenbehandlung zur Leistungsverbesserung beeinflusst.
Zahnräder können aus verschiedenen Metallen oder Nichtmetallen wie Stahl, Gusseisen, Kunststoff, Nylon und Faserstoffen hergestellt werden. Jedes Material hat eigene charakteristische Eigenschaften:
Eine Oberflächenbehandlung der Zahnräder ist vor dem Einsatz meist notwendig. Bewährte Verfahren zur Oberflächenveredelung sind Schleifen und Wärmebehandlung.
Das Schleifen der Zahnflanken sorgt für Laufruhe, erhöht jedoch die Herstellungskosten.
Zahlreiche Wärmebehandlungsverfahren stehen zur Verfügung, um Festigkeit, Oberflächengüte und Haltbarkeit zu verbessern, darunter Einsatzhärten, Glühen, Anlassen, Randschichthärten und Normalisieren.
Je nach Werkstoff und Verfahren können Zahnräder fest, hitzebeständig, hart und langlebig gefertigt werden.
