Geradverzahnte vs. Schrägverzahnte Kegelräder: Wichtigste Unterschiede erklärt

Eine Maschine kann als Zusammenstellung von Mechanismen definiert werden, die eine bestimmte Aufgabe durch Energieumwandlung ausführen können. Solche Mechanismen werden durch mechanische Leistung angetrieben, die in Form von Drehmoment vorliegt. Eine Primärmaschine (wie Elektromotor, Turbine etc.) liefert üblicherweise die mechanische Leistung, die dann mit Hilfe mechanischer Getriebe auf die Maschinen-Einheit übertragen wird. Es gibt vier mechanische Getriebe: Zahnradgetriebe, Riemengetriebe, Kettengetriebe und Seilgetriebe. Zahnradgetriebe übertragen Bewegung und Leistung von der Treiberwelle auf die Abtriebswelle durch Eingriff der Zähne. Es ist ein starrer Antrieb aufgrund des Fehlens eines intermediären flexiblen Elements. Es kann leichte bis schwere Leistungen ohne Schlupf (positiver Antrieb) übertragen und wird für kurze Distanzen bevorzugt.

Es gibt vier grundlegende Zahnradtypen: Stirnrad, Schrägverzahnung, Kegelrad und Schneckenrad. Stirnräder und Schrägverzahnungen werden für parallele Wellen verwendet; Stirnräder haben jedoch gerade, parallel zur Radachse verlaufende Zähne, während Schrägverzahnungen Zähne in Helixform auf dem Teilkreiszylinder aufweisen. Diese Helixform der Zähne bietet bestimmte Vorteile wie allmähliche Lastaufnahme am Zahn, weniger Vibration, weniger Geräusch, weniger Verschleiß etc. Ein Paar Kegelräder kann zur Übertragung von Bewegung und Leistung zwischen sich schneidenden Wellen (meist senkrecht) angewendet werden; während eine Schneckenradanordnung für nicht-parallele und nicht-sich-schneidende Wellen anwendbar ist. Es gibt verschiedene Arten von Kegelrädern, wie geradverzahnte Kegelräder, schiefe Kegelräder, Stirnkegelräder, Schrägkegelräder, Hypoidräder, Kronenräder, Zerol-Räder etc. Jeder hat unterschiedliche Merkmale und ist für bestimmte Anwendungen geeignet.

Die Zähne des Kegelrads können entweder ein gerades oder ein schräges Profil haben; beide sind jedoch nur für sich schneidende Wellen anwendbar. Wie der Name andeutet, sind bei geradverzahnten Kegelrädern die Zähne gerade wie beim Stirnrad, werden aber entlang der Radachse mit einer Neigung geschnitten. Durch den plötzlichen Kontakt zwischen den Zähnen zweier paarender Räder erfährt der Zahn Stoßbelastung. Dies führt zu Vibration und Geräusch. Stirnkegelräder und schiefe Kegelräder haben ebenfalls gerade Zähne. Schrägverzahnte Kegelräder bieten ähnliche Vorteile gegenüber geradverzahnten Kegelrädern wie Schrägverzahnungen gegenüber Stirnrädern. Hier haben die Zähne ein Schrägprofil und kommen somit allmählich beim Eingriff in Kontakt. Dies bietet einen ruhigen, vibrationsarmen und leisen Betrieb. Allerdings üben sie hohe Axialkräfte auf die Lager aus. Hypoidräder haben ebenfalls schräge Zähne. Verschiedene Unterschiede zwischen geradverzahnten und schrägverzahnten Kegelrädern sind unten in Tabellenform dargestellt.

Tabelle: Unterschiede zwischen geradverzahnten und schrägverzahnten Kegelrädern

Zahnorientierung

Kegelräder können entweder gerade oder schräge Zähne haben. Wenn die Zähne eines Kegelrads gerade sind, aber so geneigt, dass sie in einen gemeinsamen Scheitelpunkt zusammenlaufen, dann nennt man dieses Rad geradverzahntes Kegelrad. Zwei solche Räder müssen auf sich schneidenden Wellen montiert werden. Eine Variante des geradverzahnten Kegelrads, das schiefe Kegelrad, kann für nicht-parallele und nicht-sich-schneidende Wellen eingesetzt werden. Andererseits, wenn Zähne in Spiralform auf dem kegelförmigen Radrohling so geschnitten sind, dass die Spiralen in einem einzigen Scheitelpunkt zusammenlaufen, dann wird es als schrägverzahntes Kegelrad bezeichnet. Ein Paar paarender schrägverzahnter Kegelräder sollte auf sich schneidenden Wellen montiert werden; alternativ kann ein Hypoidrad (ebenfalls mit schrägen Zähnen) für nicht-parallele und nicht-sich-schneidende Wellen eingesetzt werden.

Kontaktszenario

Zahnradgetriebe ist eine Art starrer Eingriffsantrieb, was bedeutet, dass die Zähne zweier paarender Räder in direkten Kontakt kommen, um Bewegung und Leistung von einer Welle auf die andere zu übertragen. Unabhängig vom Radtyp kommen Zähne, die parallel zur Radachse verlaufen, in plötzlichen Kontakt. Dies geschieht bei Stirnrädern ebenso wie bei geradverzahnten Kegelrädern. Hier ist der Kontakt immer eine Linie der Länge gleich der Zahnbreite. Andererseits kommen die Zähne zweier paarender schrägverzahnter Kegelräder allmählich in Kontakt, wie es bei Schrägverzahnungen der Fall ist. Hier beginnt der Eingriff mit einem Punkt und wird allmählich zu einer Linie und löst sich schließlich als Punkt wieder.

Stoßbelastung und ihre Folgen

Durch den plötzlichen Kontakt erfahren die Zähne der geradverzahnten Kegelräder Stoß- oder Schlagbelastung. Dies führt auch zu erheblichem Geräusch und Vibration. Diese Vibration begrenzt manchmal die maximal zulässige Drehzahl und auch die Leistungsübertragungskapazität. Andererseits erfahren die Zähne der schrägverzahnten Kegelräder allmähliche Belastung, was weitaus weniger schädlich ist. Ihr Betrieb ist somit ruhig und leise, selbst bei hoher Drehzahl.

Kostenvergleich

Komplizierte Herstellung führt zu hohen Preisen für schrägverzahnte Kegelräder. Für dasselbe Material, dieselbe Größe und Toleranz sind Schrägverzahnungen 1,2 – 1,5-mal teurer als geradverzahnte Kegelräder. Der Kostenunterschied steigt, wenn die Radgröße klein ist, aufgrund der Fertigungsschwierigkeiten. Hohe Ausführungsanforderungen können auch zu größeren Preisunterschieden führen.

Axialkraft

Zwei paarende Räder üben immer Kraft auf die Lager aus, die die Wellen montieren. Basierend auf der Zahnorientierung kann diese Kraft entweder radial oder axial oder beides sein. Beispielsweise erzeugen gerade Zähne, die parallel zur Radachse verlaufen (wie bei Stirnrädern), nur Radialkraft; während schräge Zähne (wie bei Schrägverzahnungen) beide Kraftarten erzeugen. Geradverzahnte Kegelräder sowie schrägverzahnte Kegelräder erzeugen sowohl radiale als auch axiale Last; jedoch ist die axiale Last (Schubkraft) beim schrägverzahnten Kegelrad vergleichsweise höher, da sie aus zwei Quellen induziert wird.

Der wissenschaftliche Vergleich zwischen geradverzahnten und schrägverzahnten Kegelrädern wird in diesem Artikel präsentiert. Der Autor empfiehlt Ihnen auch, die folgenden Referenzen für ein besseres Verständnis des Themas zu konsultieren.

1. Design of Machine Elements von V. B. Bhandari (Vierte Auflage; McGraw Hill Education).
2. Machine Design von R. L. Norton (Fünfte Auflage; Pearson Education).
3. A Textbook of Machine Design von R. S. Khurmi und J. K. Gupta (S. Chand; 2014).