Stirnradgetriebe

Ein Schrägverzahnungsgetriebe besteht im Allgemeinen aus zwei Zahnrädern. Diese beiden Zahnräder sind verzahnt und ineinander gesteckt. Sie arbeiten zusammen, um Drehmoment und Drehzahl zu übertragen. Diese Getriebeart findet in einer Vielzahl von Anwendungen Verwendung.

Funktionsprinzip

Neben den geringeren Herstellungskosten bieten Schrägverzahnungen gegenüber geradverzahnten Stirnrädern mehrere Vorteile. Sie laufen ruhiger, erzeugen weniger Vibrationen und sind leiser. Zudem können sie höhere Lasten übertragen. Schrägverzahnungen finden in verschiedenen Branchen Anwendung, beispielsweise in der Lebensmittel-, Kunststoff- und Ölindustrie.
Ein weiteres wichtiges Merkmal von Schrägverzahnungen ist der gleichmäßige und sanfte Eingriff der Zähne. Dies trägt zu einem ruhigeren Lauf bei, insbesondere unter hoher Belastung. Dadurch werden Stöße und Zahnflankenspiel reduziert und der Verschleiß verringert.
Darüber hinaus ist der Helixwinkel eine Variable, die an die jeweilige Anwendung angepasst werden kann. Der Winkel ist üblicherweise entweder links oder rechts und kann je nach Blickwinkel variieren.
Schrägverzahnte Zahnräder werden üblicherweise in geschlossenen Getrieben wie Förderbändern, Gebläsen und Aufzügen eingesetzt. Sie bieten einen ruhigeren Lauf und eignen sich daher ideal für Anwendungen, die einen geräuscharmen Betrieb erfordern. Allerdings ist die Kraftübertragung bei Schrägverzahnungen weniger effizient als bei Stirnrädern.
Die relative Kontaktspannung (RCS) eines Schrägverzahnungsrades ähnelt der eines Stirnrads. Das Volumen Vi, eine von der Schrägung abhängige Größe, unterscheidet sich jedoch. Dieses Volumen ist definiert als das Gesamtvolumen der Schrägverzahnungstasche, berechnet durch Integration über die Zahnbreite. Das Volumen einer allgemeinen Tasche ist größer als das einer Schrägverzahnungstasche ohne Schrägung.
Zusätzlich verringert sich das Eingriffsverhältnis. Dies liegt daran, dass die beiden Zähne nicht parallel zueinander verlaufen. Ein dicker Ölfilm verhindert den direkten Kontakt der Zähne. Dieser Film kühlt außerdem die Zahnflanken.
Der Betriebsfaktor ist eine Kennzahl, die die Einsatzbedingungen eines Zahnrads berücksichtigt. Er ist üblicherweise das Verhältnis zwischen dem maximalen Drehmoment und dem erzeugten Drehmoment.

Effizienz

Im Rahmen einer kürzlich durchgeführten Getriebemesskampagne wurden 13 handelsübliche Getriebe eingehend getestet. Die Wirkungsgrade wurden bei Nenndrehmoment und Nennleistung gemessen. Die in diesem Beitrag präsentierten Wirkungsgradkennfelder zeigen, dass die Wirkungsgrade der einzelnen Getriebe recht ähnlich sind.
Der Wirkungsgrad eines Getriebes hängt von der Zähnezahl der Zahnräder und deren Übersetzungsverhältnis ab. Je niedriger das Übersetzungsverhältnis, desto höher der Wirkungsgrad.
Der Wirkungsgrad wird auch vom Lastmoment beeinflusst. Je höher das Lastmoment, desto geringer der Wirkungsgrad. Dies gilt insbesondere für Getriebe mit hohen Übersetzungsverhältnissen.
Der Leistungsverlust hängt auch von den Eingriffs- und Überlappungsverhältnissen ab. Bei Getrieben mit hohen Übersetzungen ist der Unterschied zwischen dem Wirkungsgrad gemäß Katalog und dem modellbasierten Wirkungsgrad größer als bei Getrieben mit niedrigen Übersetzungen. Glücklicherweise verringern Verbesserungen bei der Schmierung diese Diskrepanz.
Das Schrägverzahnungsgetriebe ist das effizienteste Getriebe der Branche. Es überträgt die Kraft zwischen parallel angeordneten Zahnrädern und ist geräuschärmer als Stirnradgetriebe. Diese Zahnräder greifen sanft und gleichmäßig ineinander, wodurch sie weniger verschleißanfällig sind. Zudem ermöglichen sie eine höhere Leistungsübertragung.
Obwohl Schrägverzahnungen effektiv sind, sind sie teurer als herkömmliche Zahnräder. Die Kosteneinsparungen können sich jedoch im Laufe der Zeit erheblich summieren. Es ist wichtig, die Vorteile eines Schrägverzahnungsgetriebes zu berücksichtigen, bevor Sie sich für ein Getriebe für Ihre Anwendung entscheiden.
Vergleicht man den Wirkungsgrad eines Stirnradgetriebes mit dem eines Schneckengetriebes, so ist das Schneckengetriebe effizienter. Der Unterschied ist jedoch nicht so groß wie bei vielen anderen Getrieben.
Der Wirkungsgrad eines Stirnradgetriebes hängt auch von der Drehzahl der Zahnräder ab. Das Getriebe muss über eine ausreichende Schmierung der Lager verfügen. Zudem ist der Platzbedarf im Antriebsstrang zu berücksichtigen.

Anwendungen

Stirnradgetriebe finden breite Anwendung in zahlreichen Branchen. Zu den Anwendungsgebieten zählen unter anderem die Druckindustrie, die Gummiindustrie, die Kunststoffindustrie, die Zementindustrie, die Baumaschinenindustrie und die chemische Industrie.
Stirnradgetriebe werden auch in Förderbändern und Aufzügen eingesetzt. Sie sind sehr robust und können höhere Lasten aufnehmen. Außerdem sind sie leiser als geradverzahnte Getriebe. Sie finden auch in vielen Automobilgetrieben Verwendung.
Schrägverzahnte Getriebe übertragen Kraft zwischen zwei parallelen Wellen. Sie sind eine gute Alternative zu Stirnradgetrieben. Sie sind kompakt und reduzieren Vibrationen und Geräusche. Zudem sind sie sehr langlebig und können auch bei nicht parallelen Wellen eingesetzt werden.
Die häufigste Anwendung findet sich in der Automobilindustrie. Stirnradgetriebe werden aber auch in anderen Branchen eingesetzt. Sie sind besonders nützlich in Aufzügen, Förderbändern und anderen Bereichen der Schwerindustrie. Sie ermöglichen eine hohe Drehzahlreduzierung und werden häufig in Automatisierungssystemen verwendet. Auch im Bergbau und in der Zementindustrie kommen sie zum Einsatz.
Stirnradgetriebe können mit verschiedenen Modifikationen gefertigt werden. Dies ist wichtig, da einige Branchen unterschiedliche Getriebe benötigen.
Schrägverzahnte Zahnräder weisen eine höhere Zähnezahl auf, was zu geringerem Verschleiß führt. Sie sind zudem leiser als Stirnräder. Ihre Fähigkeit, hohe Schubkräfte zu erzeugen, macht sie ideal für Hochgeschwindigkeitsanwendungen. Darüber hinaus können sie die Last auf mehrere Achsen verteilen und werden auch bei Anwendungen mit hohen Stoß- und Vibrationsbelastungen eingesetzt.
Schrägverzahnte Getriebe arbeiten mit einem höheren Wirkungsgrad als Stirnradgetriebe. Allerdings sind die Herstellungskosten für Schrägverzahnungen höher als für Stirnradgetriebe.
Schrägverzahnte Getriebe bieten zudem den Vorteil der Kraftübertragung zwischen rechtwinkligen Wellen. Sie können in Verbindung mit gekreuzten Achsengetrieben eingesetzt werden, wodurch Stoßbelastungen vermieden werden.

Variationen

Für verschiedene Branchen sind diverse Ausführungen von Schrägverzahnungsgetrieben erhältlich. Sie finden breite Anwendung in Automobilgetrieben und anderen Industriezweigen. Im Vergleich zu Stirnradgetrieben sind sie leiser, langlebig und hocheffizient. Allerdings können sie höhere Reibung und Verschleiß verursachen.
Schrägverzahnte Zahnräder bestehen aus Zähnen, die sich unter einem bestimmten Winkel um einen zylindrischen Zahnradkörper winden. Der Winkel, in dem die Zähne des Zahnrads geschnitten sind, wird als Schrägungswinkel bezeichnet. Der Schrägungswinkel kann an das Zahnrad und seine Umgebung angepasst werden.
Der Schrägungswinkel bestimmt auch die vom Zahnrad erzeugte Axialkraft. Ein größerer Schrägungswinkel erzeugt eine höhere Axialkraft. Diese erhöhte Axialkraft muss von den Lagern aufgenommen werden. Der Eingriffswinkel hat zudem einen direkten Einfluss auf die Normalkraft und die Krümmungsradien des Zahns.
Schrägverzahnungen können parallel oder gekreuzt angeordnet werden. Parallel geschaltete Schrägverzahnungen benötigen für einen korrekten Betrieb den gleichen Teilkreis- und Eingriffswinkel. Gekreuzt geschaltete Schrägverzahnungen laufen leiser und ruhiger als Stirnräder. Sie eignen sich jedoch auch zur Übertragung höherer Drehmomente.
Schrägverzahnungen sind in einfach- und doppelschrägverzahnter Ausführung erhältlich. Einfachverzahnte Schrägverzahnungen werden mit denselben Werkzeugen und Anlagen wie Stirnräder gefertigt. Im Gegensatz zu Stirnrädern weisen einfachverzahnte Schrägverzahnungen eine größere Auflagefläche auf. Sie eignen sich zudem besser für Präzisionsantriebe.
Doppelschrägverzahnte Zahnräder werden auch Pfeilverzahnungen genannt. Sie entstehen durch das Einfräsen einer Nut zwischen zwei Zähnen. Sie können Axialkräfte eliminieren und werden zudem für hohe Tragfähigkeiten eingesetzt.
Schrägverzahnte Zahnräder werden häufig für Getriebe mit geringer Leistung eingesetzt. Sie bieten zudem eine Alternative zur Verbindung von parallelen und nicht parallelen Wellen und finden auch in Hochgeschwindigkeitsanwendungen Verwendung.

Werkzeugspitzenradius

Unter den vielen Parametern, die bei der Konstruktion von Schrägverzahnungsgetrieben eine Rolle spielen, ist der Zahnspitzenradius wohl der wichtigste, auch wenn er einer der am wenigsten intuitiven ist. Der Durchmesser eines Schrägverzahnungszahns lässt sich am besten anhand eines Referenzprofils berechnen. Ein ähnliches Verfahren wird zur Berechnung des Schrägungswinkels verwendet. Eine zu kleine Zahnspitze führt zu Hinterschneidungen, was problematisch ist, wenn das Zahnrad eine hohe Zähnezahl aufweist und das Risiko von Zahnausfällen minimiert werden soll.
Für Getriebe-Enthusiasten gibt es zahlreiche Werkzeuge und Verfahren für Schrägverzahnungsgetriebe, wobei der Spitzendurchmesser nur eines davon ist. Glücklicherweise steckt für Getriebe-Konstruktions-Experten viel mehr hinter Schrägverzahnungsgetrieben, als man auf den ersten Blick vermuten würde. Beispielsweise ist ein Schrägverzahnungszahn eine dreidimensionale Fläche, sodass seine Form und Funktion mathematisch oder numerisch berechnet werden können.
Neben der unvorhersehbaren Zahnspitze ist das Stirnradgetriebe auch ein Produkt des Fertigungsprozesses. Hauptursache ist die Profilverschiebung, also der Abstand zwischen dem Teilkreisdurchmesser des Zahnrads und der Bezugslinie des Schneidwerkzeugs. Obwohl ein Getriebekonstrukteur dieses Problem ignorieren könnte, wird es häufig zur Optimierung der Eingriffsverhältnisse berücksichtigt. Das bedeutet, dass die Zahnradzähne dem Drehmoment ihrer jeweiligen Zahnradsätze standhalten müssen.
Ein Schrägverzahnungsgetriebe ist eine geometrische Einheit. Die optimale Anordnung der Zahnräder besteht darin, die Biegefestigkeit der Zähne zu minimieren und gleichzeitig die Biegesteifigkeit zu maximieren. Dazu muss die Dicke der Zahnspitze begrenzt werden. Dies wird üblicherweise durch ein Zahnprofil erreicht, das der Zahnkontur des zu ersetzenden Zahnrads entspricht.

Bearbeitet von CX am 25.10.2023