Parallele vs. Gekreuzte Schrägverzahnungen: Wichtigste Unterschiede erklärt

Mechanische Getriebe werden verwendet, um Bewegung, Drehmoment und Leistung von einer Treiberwelle auf eine Abtriebswelle zu übertragen. Die Treiberwelle ist in den meisten Fällen Teil einer Primärmaschine (wie Elektromotor, hydraulische Turbine, Dampfturbine etc.); die Abtriebswelle ist Teil der Maschinen-Einheit. Es gibt vier grundlegende mechanische Getriebe: Zahnradgetriebe, Riemengetriebe, Kettengetriebe und Seilgetriebe. Ein Zahnradgetriebe ist ein eingreifender, starrer Antrieb, bei dem Bewegung und Leistung durch aufeinanderfolgendes Eingreifen und Auskuppeln der Zähne zweier paarender Räder übertragen werden. Es ist inhärent frei von Schlupf und bietet daher ein konstantes Übersetzungsverhältnis (positiver Antrieb). Es kann für leichte Anwendungen (wie Spielzeug, Uhren etc.) sowie für schwere Anwendungen (wie Getriebe von Maschinen, Schiffsantriebe etc.) verwendet werden.

Treiber- und Abtriebswellen können drei gegenseitige Orientierungen haben: (i) parallele Wellen, (ii) sich schneidende Wellen und (iii) nicht-parallele, nicht-sich-schneidende Wellen. Es gibt vier grundlegende Zahnradtypen, und ein geeignetes Rad sollte basierend auf der gegenseitigen Orientierung der Treiber- und Abtriebswellen ausgewählt werden. Stirnrad und Schrägverzahnung sind für parallele Wellen anwendbar. Kegelrad kann für zwei sich schneidende Wellen angewendet werden, die nicht notwendigerweise senkrecht sein müssen. Schneckenradanordnung wird für die dritte Kategorie (nicht-parallele, nicht-sich-schneidende Wellen) verwendet. Im Gegensatz zu Stirnrädern, die gerade, parallel zur Radachse verlaufende Zähne haben, haben Schrägverzahnungen Zähne in Helixform, die auf dem Teilkreiszylinder geschnitten sind. Obwohl Schrägverzahnungen häufig für parallele Wellen wie Stirnräder verwendet werden, können sie auch für senkrechte, aber nicht-sich-schneidende Wellen eingesetzt werden.

Entsprechend gibt es zwei Arten von Schrägverzahnungen – parallele und gekreuzte. Parallele Schrägverzahnungen, die gängige Variante, werden zur Leistungsübertragung zwischen parallelen Wellen verwendet. Zwei paarende parallele Schrägverzahnungen sollten denselben Modul, denselben Druckwinkel, aber entgegengesetzte Helixrichtung haben. Sie bieten vibrationsfreien und leisen Betrieb und können schwere Lasten übertragen. Andererseits werden gekreuzte Schrägverzahnungen (auch Schraubenräder genannt) für nicht-sich-schneidende, aber senkrechte Wellen verwendet. Zwei paarende gekreuzte Schrägverzahnungen sollten denselben Modul, denselben Druckwinkel und entweder dieselbe oder entgegengesetzte Helixrichtung haben. Diese Radart hat Anwendungen ähnlich wie Schneckenräder; jedoch werden Schneckenräder für steile Übersetzungsreduktionen (1:15 bis 1:100) bevorzugt, während gekreuzte Schrägverzahnungen keine Übersetzungsreduktion über 1:2 hinaus bieten können. Verschiedene Unterschiede zwischen parallelen und gekreuzten Schrägverzahnungen sind unten in Tabellenform dargestellt.

Tabelle: Unterschiede zwischen parallelen und gekreuzten Schrägverzahnungen

Leistungsübertragung und Wellenorientierung

Abgesehen vom Viertelwendel-Riemen ist das Zahnradgetriebe der einzige mechanische Antrieb, der vorteilhaft eingesetzt werden kann, um Leistung und Bewegung in jedem Winkel und in jeder Ebene zu übertragen. Verschiedene Radtypen werden für unterschiedliche Orientierungen von Treiber- und Abtriebswellen bevorzugt. Ähnlich wie Stirnräder können parallele Schrägverzahnungen Bewegung und Leistung nur zwischen parallelen Wellen übertragen. Daher sollten sie auf parallelen Wellen mit korrekter lokaler und winkelmäßiger Ausrichtung montiert werden. Andererseits können gekreuzte Schrägverzahnungen oder Schraubenräder Bewegung und Leistung zwischen senkrechten Wellen übertragen und sollten daher auf senkrechten, aber nicht-sich-schneidenden Wellen montiert werden.

Helixrichtung

Unabhängig von paralleler oder gekreuzter Anordnung sollten zwei paarende Schrägverzahnungen denselben Modul, denselben Druckwinkel und denselben Schrägungswinkel haben. Der Teilkreisdurchmesser zweier paarender Räder sollte sich an einem einzigen Punkt berühren. Wenn die paarenden Schrägverzahnungen eine parallele Anordnung haben, dann sollte ein Rad eine Rechtshelix und das andere zwingend eine Linkshelix haben. Somit müssen zwei paarende parallele Schrägverzahnungen entgegengesetzte Helixrichtungen haben. Im Fall einer gekreuzten Anordnung kann ein Schrägrad mit Rechtshelix mit einem anderen Schrägrad mit entweder Links- oder Rechtshelix paaren. Somit können zwei paarende gekreuzte Schrägverzahnungen dieselbe oder entgegengesetzte Helixrichtung haben.

Kontakt zwischen Zähnen

Basierend auf dem Zahnprofil und der Radorientierung erfolgt der Kontakt zwischen den Zähnen zweier paarender Räder in verschiedenen Formen. Beispielsweise kommen die Zähne zweier Stirnräder in plötzlichen Kontakt und ihre Kontaktlänge bleibt immer eine Linie der Länge gleich der Zahnbreite. Ein solcher plötzlicher Kontakt wird durch allmählichen Kontakt bei Schrägverzahnungen ersetzt. Bei parallelen Schrägverzahnungen beginnt das Paaren zweier Zähne mit einem Punkt und wird allmählich zu einer Linie und dann lösen sie sich als Punkt wieder. Im Fall gekreuzter Schrägverzahnungen bleibt der Kontakt zwischen zwei Zähnen immer ein einzelner Punkt. Zu Beginn des Eingriffs liegt dieser Punkt an einem Ende der Zahnflanke und bewegt sich allmählich über die Flanke. Beim Auskuppeln liegt der Kontaktpunkt am anderen Ende der Zahnflanke.

Leistungsübertragungskapazität

Der Grundzweck jedes mechanischen Antriebs ist die Übertragung von Leistung von der Treiberwelle auf die Abtriebswelle. Als eingreifender, starrer Antrieb hat das Zahnradgetriebe die maximale Übertragungskapazität unter allen mechanischen Antrieben. Allerdings bieten verschiedene Zahnradgetriebe unterschiedliche Übertragungsniveaus. Ein Paar paralleler Schrägverzahnungen kann vergleichsweise höhere Leistung übertragen als ein ähnlich großes Stirnrad aus demselben Material. Basierend auf Größe und Material können parallele Schrägverzahnungen von nur wenigen Watt bis zu wenigen Megawatt übertragen. Andererseits werden gekreuzte Schrägverzahnungen für kleine Leistungsübertragungen bevorzugt, üblicherweise begrenzt auf 100 kW.

Anwendungsbereiche

Aufgrund der hohen Leistungsübertragungskapazität werden parallele Schrägverzahnungen in vielen Bereichen vorteilhaft eingesetzt. Sie können erfolgreich für niedrige wie hohe Drehzahlen eingesetzt werden. Typische Anwendungsbereiche sind Getriebe von Maschinen, Automobile, Ölmühlen, Schiffsantriebe etc. Andererseits sind gekreuzte Schrägverzahnungen für niedrige Drehzahlen und leichte Anwendungen geeignet, wie Spinnmaschinen in der Textilindustrie, Ölpumpen von Verbrennungsmotoren etc.

Der wissenschaftliche Vergleich zwischen parallelen und gekreuzten Schrägverzahnungen 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).