Was ist eine Schrägverzahnung? – Die Schrägverzahnung mit unendlichem Radius
Ein spiralförmiges Zahnrad ist geometrisch identisch mit einem Stirnrad dessen Teilkreisradius ins Unendliche anwachsen darf – der gekrümmte Teilkreis wird zu einer geraden Teillinie, das gekrümmte Zahnprofil zu einem geradlinigen Schrägzahn und der Zahnradkörper zu einer flachen Platte oder Stange. Das mit der Zahnstange kämmende Schrägritzel ist ein Standard-Schrägritzel. Stirnrad mit einem endlichen Teilkreisradius. Zusammen wandelt das schrägverzahnte Zahnstangen- und Ritzelsystem die Stirnrad die Drehung des Ritzels in eine lineare Translation der Zahnstange (oder des Ritzelwagens, falls die Zahnstange feststeht) mit den gleichen Vorteilen des Zahneingriffs wie eine Stirnrad Paar: progressiver Diagonalkontakt, höheres Kontaktverhältnis, geringerer Übertragungsfehler und geringere Geräuschentwicklung im Vergleich zu einer geraden Zahnstange und einem geraden Ritzel.
Die lineare Reise pro Stirnrad Die Ritzeldrehzahl wird durch den Teilkreisumfang des Ritzels bestimmt: s = π × d₁ = π × Mn × z₁ / cos β. Dies ist die grundlegende Auslegungsgleichung für einen schrägverzahnten Zahnstangenantrieb – sie legt die Umfangsgeschwindigkeit (mm/min = s × U/min) und die Umfangskraftkapazität fest. Stirnrad Ritzeldrehmoment.
Spiralzahnstange vs. gerade Zahnstange – Warum sich die Komplexität der Spiralzahnstange lohnt
| Parameter | Gerade Zahnstange (β = 0°) | Schraubenförmige Zahnstange (β = 15–25°) |
|---|---|---|
| Geräusch (bei gleicher Tonhöhengeschwindigkeit) | Höher – der Zahneintritt über die gesamte Breite ist abrupt. | 5–10 dB(A) niedriger – diagonaler Eintritt reduziert die Aufprallanregung |
| Belastbarkeit (bei gleichem Modul und gleicher Stirnbreite) | Ausgangswert | 10–25% höher – höheres Überdeckungsverhältnis verteilt die Last über eine größere Zahnlänge |
| Kontaktverhältnis | ε_α ≈ 1,4–1,6 nur | ε_γ = 2,0–3,5 (ε_α + ε_β) für die Stirnrad Netz |
| Axialkraft auf Ritzellager | Null | F_a = F_t × tan β (erfordert Schrägkugellager am Ritzel) |
| Positionierungsglätte | Geschwindigkeitswelligkeit bei Zahneingriffsfrequenz | Geringere Geschwindigkeitswelligkeit aufgrund eines höheren Kontaktverhältnisses |
| Herstellung | Einfacher – Wälzfräsen oder Fräsen mit geraden Zähnen | Komplexer – Schrägverzahnungs-Wälzfräsen mit Schrägverzahnungswinkelkompensation; die Übereinstimmung der Schrägverzahnung zwischen Zahnstange und Ritzel ist entscheidend. |
Auswahl des Schrägungswinkels für Zahnstangenantriebe
Die Wahl des Helixwinkels für einen schrägverzahnten Zahnstangenantrieb folgt den gleichen Prinzipien wie für jeden anderen Antrieb. Stirnrad Paar, mit einer zusätzlichen Überlegung: Die Zahnstangenbreite ist nicht durch den Außendurchmesser des Zahnrads begrenzt, sodass das Überlappungsverhältnis ε_β = b × sin β / (π × Mn) mit jeder Kombination von b und β erreicht werden kann. Für Linearachsen von CNC-Werkzeugmaschinen liegt der Standardbereich bei β = 15–25°.
- β = 15°: Mäßige Geräuschreduzierung; moderate Axialkraft auf das Ritzellager (tan 15° = 0,27 × F_t); geeignet für Standard-Achsantriebe, bei denen die Geräuschentwicklung nicht der Hauptfaktor ist. Am häufigsten verwendet bei allgemeinen industriellen Portalkranen, bei denen die Stirnrad Ritzel- und Materialtransportzahnstangenantriebe.
- β = 19–20°: Standard-Spezifikation für CNC-Werkzeugmaschinenachsen (Portalfräsmaschinen, Fräsmaschinenachsen, Bearbeitungszentren). Bietet ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Geräuschreduzierung und handhabbarer Axialkraft bei typischen Vorschubkräften (100–5000 N). Weitgehend als Katalogartikel bei Anbietern von Achsengestellen erhältlich.
- β = 25°: Maximale praktische Anwendung für Standard-Schrägverzahnungsantriebe. Einsatzgebiete sind Lenkgetriebe für Elektrofahrzeuge (wo Geräuschentwicklung kritisch ist und die Axialkraft durch die Konstruktion des Lenkgetriebegehäuses begrenzt wird) sowie CNC-Hochgeschwindigkeitsachsen über 60 m/min, bei denen das Geräusch bei Eingriffsfrequenz bei β = 20° hörbar wäre.
Spielkontrolle bei Schrägverzahnungsantrieben – Die kritische Positionierungsherausforderung
Geschliffenes Schrägritzel für CNC-Zahnstangenachsen – die Ritzelzahnstärke entspricht DIN 3967 Klasse g oder h, um das für die Positioniergenauigkeit erforderliche geringe Zahnflankenspiel zu erreichen; jegliches Spiel im Eingriff führt zu Spielverlusten bei Richtungswechsel der Achse.
Spiel in einem Schrägzahnstangenantrieb äußert sich direkt als Positionierfehler, wenn der Schlitten die Drehrichtung ändert: Der Motor dreht sich um den Winkel, der dem Spiel entspricht, bevor sich der Schlitten in Bewegung setzt. Bei einem Ritzel mit 75 mm Durchmesser und 0,1 mm Spiel beträgt der entsprechende Winkel etwa 0,1 / (π × 75 / 360) = 0,153° Ritzeldrehung – was einem Verlust von 0,1 mm linearer Bewegung entspricht. In CNC-Positionieranwendungen ist dies inakzeptabel und muss für Standardachsen auf unter 0,01–0,03 mm und für Präzisionsbearbeitungszentren auf unter 0,005 mm begrenzt werden.
Methode 1 — Enge Toleranz der Zahndicke (DIN 3967 Klasse g/h)
Ritzel und Zahnstange sollten der DIN 3967 Klasse g oder h entsprechen (wie im Artikel zum Zahnflankenspiel beschrieben). Dies reduziert das nominelle Zahnflankenspiel, beseitigt es aber nicht vollständig – bei engen Toleranzen liegt das Zahnflankenspiel bei M3- bis M5-Zahnstangenantrieben weiterhin zwischen 0 und ca. 0,03–0,08 mm. Dies ist für Standard-CNC-Achsen mit softwarebasierter Zahnflankenspielkompensation ausreichend, jedoch nicht für Präzisions-Konturachsen.
Methode 2 – Doppelritzel-Antrieb mit spielfreiem Antrieb
Zwei identische Ritzel sind auf derselben Zahnstange montiert und werden über ein Drehmomentverteilungsgetriebe mit einer leichten Winkelvorspannung zwischen ihnen angetrieben. Die beiden Ritzel greifen gleichzeitig in die gegenüberliegenden Flanken der Zahnstangenzähne ein – eines schiebt die Zahnstange vorwärts, das andere rückwärts. Durch die konstante Vorspannung beider Zahnflanken wird das Zahnflankenspiel eliminiert. Dies ist die Standardlösung für hochpräzise CNC-Werkzeugmaschinen-Schrägzahnantriebe mit Geschwindigkeiten über 5 m/min und einer geforderten Positioniergenauigkeit von unter ±0,010 mm. Das Vorspannmoment muss sorgfältig berechnet werden: Ist es zu niedrig, wird das Zahnflankenspiel nicht vollständig beseitigt; ist es zu hoch, erhöht sich der Zahnverschleiß durch die kontinuierliche Belastung des Leerlaufritzels.
Modulauswahl von Linear Force – Dimensionierung eines Schrägverzahnungsantriebs
Das Rackmodul Mn für das Stirnrad Das Ritzel wird anhand der erforderlichen maximalen linearen Kraft F_linear und der zulässigen Zahnfußbiegespannung des Ritzels ausgewählt:
F_linear = T_pinion / r_pinion = T_pinion × 2 × cos β / (Mn × z₁)
Umstrukturierung für Stirnrad Modul aus erforderlicher Kraft und verfügbarem Ritzeldrehmoment:
Mn = T_pinion × 2 × cos β / (F_linear × z₁)
Für CNC-Werkzeugmaschinenachsen mit typischen Schnittkräften von 2000–8000 N und Motordrehmomenten von 5–50 Nm deckt das Modul M3–M6 die meisten Anwendungen ab. Für Schwerlast-Portalkrane mit Lasten von 5–50 Tonnen ist das Modul M8–M16 typisch. Korea Ever-Power fertigt schrägverzahnte Zahnstangenprofile von M2 bis M20 in Standardlängen von 500–2000 mm mit Verbindungsmerkmalen (Dübellöcher, Endsenkbohrungen) zum Zusammenfügen zu langen, durchgehenden Zahnstangensträngen.
Achsenspezifikation für CNC-Werkzeugmaschinen – Was ist bei einem Stirnradantrieb zu spezifizieren?
| Parameter | Standard-CNC-Fräse / Portal | Präzisionsbearbeitungszentrum |
|---|---|---|
| Modul Mn | M3–M5 | M2–M4 |
| Helixwinkel β | 20° | 20–25° |
| DIN-Genauigkeitsklasse | DIN 7–8 (präzisionsgefräst) | DIN 5–6 (Erdung) |
| Zahndickenklasse | DIN 3967 fg (schmal) | DIN 3967 gh (fest) |
| Gestellmaterial | 45# QT HB 220–280 oder C45E | 20CrMnTi aufgekohlt, HRC 58–62, geschliffen |
| Lösung für Rückschlag | Einzelnes Ritzel mit Softwarekompensation | Doppeltes spielfreies Ritzel mit Vorspannungsdrehmomentspezifikation |
| Gestelllänge pro Segment | 500–1000 mm mit Dübelausrichtung | 500 mm für präzise Ausrichtung von Spleißverbindungen |
Korea Ever-Power – Lieferfähigkeit für schrägverzahnte Zahnstangenantriebe
Korea Ever-Power stellt passende Schraubenzahnstangen und Stirnrad Ritzelsätze gehören zum Standardsortiment. Zahnstangen werden in den Größen M2–M20, mit Steigungswinkeln β = 15–25° und Längen von 500–2000 mm pro Segment gefertigt (verbunden zu durchgehenden Strängen durch dübelverzahnte Stoßverbindungen). Stirnrad Ritzel werden in allen gängigen Standardausführungen gefertigt. Stirnrad Größen, mit Stirnrad Die Zahnstärke entspricht DIN 3967 Klasse g oder h für Positionieranwendungen. Zahnstangen und passende Ritzel werden als zusammengehöriges Set vermessen, das Zahnflankenspiel wird vor dem Versand an der Baugruppe geprüft. Hersteller von StirnrädernKorea Ever-Power liefert die technische Dokumentation – Schrägungswinkel, Spielklasse, DIN-Genauigkeitsklasse und lineare Kraftkapazität – für jedes Zahnstangen- und Ritzelset.
Häufig gestellte Fragen
Ja, wenn die Montagesteigung übereinstimmt und das Ritzel gleichzeitig durch ein passendes ersetzt wird. Stirnrad Ritzel. Gerade Zahnstange und gerades Ritzel sind nicht mit schrägverzahnter Zahnstange und schrägverzahntem Ritzel kompatibel – die Schrägungsarme von Zahnstange und Ritzel müssen übereinstimmen, und ein gerader Zahn greift nicht korrekt in einen schrägverzahnten Zahn ein. Der Achsabstand von schrägverzahnter Zahnstange und Ritzel bei gleichem Modul weicht von dem der geraden Ausführung ab (aufgrund des cosβ-Terms in der Teilkreisdurchmesserformel), sodass die Montageposition von Motor und Getriebe gegebenenfalls angepasst werden muss. Korea Ever-Power bestätigt die Maßkompatibilität für Stirnrad Nachrüstungsanträge als Teil der Angebotsprüfung.
Jedes Zahnstangensegment ist an beiden Enden mit einem präzise gefrästen Passstiftmuster versehen. Beim Verbinden zweier Segmente sorgen Ausrichtungsstifte in der Schiene dafür, dass die Zahnteilung an der Verbindungsstelle der Zahnteilung innerhalb jedes Segments entspricht – mit einer Abweichung von ca. ±1 Teilung. Bei Präzisions-CNC-Achsen werden die Verbindungsstellen benachbarter Segmente nach der Montage auf dem Maschinentisch als zusammenpassendes Paar feingeschliffen. Dadurch wird sichergestellt, dass der Teilungsübergang an der Verbindungsstelle keine messbare Drehzahländerung verursacht, wenn das Ritzel diese mit hoher Geschwindigkeit passiert.
Die maximal praktikable Drehzahl für eine Schraubenzahnstange und Stirnrad Die Geschwindigkeit eines Ritzelantriebs liegt bei Standard-Zahnstangen-Ritzel-Sätzen mit ausreichender Schmierung bei etwa 3–5 m/s (180–300 m/min). Oberhalb dieser Geschwindigkeit ist die Zahnaufprallenergie bei der Eingriffsfrequenz so hoch, dass es selbst bei geringer Zahnflankenspielbegrenzung zu beschleunigtem Verschleiß kommt. Hydraulische und Linearmotorantriebe sind Zahnstangen-Ritzel-Antrieben bei Geschwindigkeiten über 5 m/s für Präzisionsanwendungen überlegen. Für große Portalkran-Fahrantriebe mit geringeren Genauigkeitsanforderungen sind Geschwindigkeiten von 1–2 m/s bei schrägverzahnten Zahnstangen-Ritzel-Sätzen üblich.
Offene schrägverzahnte Zahnstangenantriebe mit freiliegendem Stirnrad Ritzel (die nicht in einem Getriebegehäuse untergebracht sind) werden durch regelmäßiges Auftragen von Fett oder Ölnebel auf die Zahnstangenzähne geschmiert. Für CNC-Werkzeugmaschinenachsen mit Stirnrad Bei Ritzelantrieben tragen automatische Schmierstoffspender in programmierbaren Intervallen – typischerweise alle 30–60 Minuten Achsbewegung – Getriebeöl nach ISO VG 460 oder VG 680 (spritzarmes Öl oder Fett) auf die Zahnstangenzähne auf. Bei Zahnstangenantrieben von Portalkranen im Außenbereich wird täglich oder über eine automatische Schmierung offenes Getriebefett der NLGI-Klasse 1 oder 2 mit Haftzusätzen (um ein Abschleudern durch die Zentrifuge am Teilkreis des Ritzels zu verhindern) aufgetragen. Das Schmiermittel muss die aktive Zahnflankenzone erreichen – wird es nur auf den Zahnstangenkopf aufgetragen, erreicht es möglicherweise nicht die Teilkreislinie, wo der Kontakt stattfindet.
Geben Sie Ihren schrägverzahnten Zahnstangenantrieb an.
Geben Sie die benötigte Linearkraft, Verfahrgeschwindigkeit, den Hub, die Positioniergenauigkeit und den Anwendungstyp an. Korea Ever-Power wählt das passende Modul, den passenden Steigungswinkel, die Genauigkeitsklasse und die Lösung zur Spielkompensation aus und prüft vor Produktionsbeginn die Linearkraftkapazität, die Laufruhe und die Positioniergenauigkeit.
M2–M20 · β = 15–25° · DIN 5–8 · Abgestimmte Zahnstangen- und Ritzelsätze · Spielfreie Ritzelpaare · CNC- und Krananwendungen
Herausgeber: Cxm
