Unterschiede zwischen Stirnrädern und Schrägverzahnungen verstehen

Mechanische Getriebe werden verwendet, um Bewegung, Drehmoment und Leistung von der Treiberwelle (z. B. Primärmaschine) auf die Abtriebswelle (z. B. Maschinen-Einheit) zu übertragen. Es gibt vier mechanische Getriebe: Zahnradgetriebe, Riemengetriebe, Kettengetriebe und Seilgetriebe. Im Gegensatz zum Riemengetriebe (ein Reibungsantrieb) ist das Zahnradgetriebe ein Eingriffsantrieb, was bedeutet, dass die Leistungsübertragung durch aufeinanderfolgendes Eingreifen und Auskuppeln der Zähne zweier Räder erfolgt. Es ist auch ein starrer Antrieb, da kein intermediäres flexibles Element zwischen den beiden Rädern existiert. Hier greift das Treiberrad direkt mit dem entsprechenden Abtriebsrad ein, und ist somit für die Leistungsübertragung über kurze Distanzen geeignet. Seine Leistungsübertragungskapazität ist jedoch sehr hoch und kann einen weiten Bereich von Übersetzungsreduktionen bieten (von 1:1 bis 1:100 in einer Stufe). Es kann auch ein konstantes Übersetzungsverhältnis bieten, da es inhärent frei von Schlupf, Kriechen oder Polygoneffekt ist.

Räder können in vier grundlegende Gruppen klassifiziert werden: Stirnrad, Schrägverzahnung, Kegelrad und Schneckenrad. Jedes dieser Räder hat spezifische Merkmale und kann bestimmte Vorteile gegenüber anderen bieten. Ein Stirnrad ist der einfachste Typ, der zur Übertragung von Bewegung und Leistung zwischen parallelen Treiber- und Abtriebswellen verwendet wird. Es hat gerade, parallel zur Radachse verlaufende Zähne. Ein anderes ähnliches Rad, das Schrägverzahnung genannt wird, wird ebenfalls für parallele Wellen verwendet; seine Zähne sind jedoch in Form einer Helix über den zylindrischen Rohling geschnitten. Andererseits wird Kegelrad für sich schneidende Wellen verwendet, die senkrecht sein können oder nicht. Es kann Zähne entlang der Radachse (geradverzahntes Kegelrad) oder in Spiralform (schrägverzahntes Kegelrad) haben. Das Schneckenrad wird für senkrechte, aber nicht-sich-schneidende Wellen verwendet.

Obwohl sowohl Stirnrad als auch Schrägverzahnung für parallele Wellen bestimmt sind, haben sie unterschiedliche Zahnorientierungen und sind für unterschiedliche Anwendungen geeignet. Bei Stirnrädern kommen die Zähne paarender Räder in plötzlichen Kontakt. Dadurch erfährt der Zahn Stoß- oder Schlagbelastung. Dies verursacht Vibration und verringert auch die Lebensdauer des Rads. Die Helixform der Zähne kann dieses Problem eliminieren. Bei zwei paarenden Schrägverzahnungen kommen die Zähne allmählich in Kontakt und sind somit frei von Stoß- oder Schlagbelastung. Sie können vergleichsweise höhere Lasten tragen. Sie bieten auch höhere Übersetzungsreduktion. Im Gegensatz zum Stirnrad, das nur Radiallast aufträgt, übt die Schrägverzahnung sowohl radiale als auch axiale Lasten auf die Lager aus. Verschiedene Unterschiede zwischen Stirnrad und Schrägverzahnung sind unten in Tabellenform dargestellt.

Tabelle: Unterschiede zwischen Stirnrad und Schrägverzahnung

Konfiguration der Zahnradzähne

Der offensichtliche Unterschied zwischen Stirnrad und Schrägverzahnung ist die Form ihrer Zähne. Stirnrad hat gerade Zähne, die parallel zur Achse des Rads verlaufen. Es ist erwähnenswert, dass geradverzahnte Kegelräder ebenfalls gerade Zähne haben, die entlang der Radachse orientiert sind, aber nicht parallel zur Radachse sind (sie sind geneigt und daher sich schneidend). Wie der Name andeutet, hat die Schrägverzahnung Zähne in Helixform, die auf dem Teilkreiszylinder geschnitten sind. Eine Schrägverzahnung kann entweder Links- oder Rechtshelix haben. Der Schrägungswinkel kann von Rad zu Rad variieren. Typischerweise liegt er zwischen 15–25°; jedoch kann ein höherer Schrägungswinkel (bis zu 45°) für doppeltschrägverzahnte oder Fischgrätenräder eingesetzt werden.

Art der Last und entsprechende Lager

Während des Paarens zweier Räder erfahren die Lager Drehmoment und Kräfte, die letztendlich auf den Boden übertragen werden. Richtung und Intensität solcher Kräfte variieren basierend auf der Drehzahl und der Zahnkonfiguration. Da einige Lager effizient nur Radiallast aufnehmen können, einige nur Axiallast und wenige beide Lasten, muss ein geeignetes Lager basierend auf Art und Intensität solcher Kräfte ausgewählt werden. Aufgrund der geraden Zähne üben Stirnräder nur Radiallast auf die Lager aus. Somit kann ein günstigeres Zylinderrollenlager verwendet werden. Andererseits üben Schrägverzahnungen signifikante Radiallast und Schubkraft auf die Lager aus. Daher können Rillenkugellager, Schrägkugellager und Kegelrollenlager eingesetzt werden, da diese Lager sowohl axiale als auch radiale Lasten aufnehmen können.

Orientierung von Treiber- und Abtriebswellen

Ein grundlegender Vorteil des Zahnradgetriebes gegenüber anderen mechanischen Antrieben (wie Riemen- oder Kettengetriebe) ist seine Möglichkeit, für nicht-parallele Wellen verwendet zu werden. Allerdings sind verschiedene Radtypen für unterschiedliche Orientierungen von Treiber- und Abtriebswellen geeignet. Sowohl Stirnrad als auch Schrägverzahnungen werden überwiegend für parallele Wellen verwendet; während Kegelräder für sich schneidende Wellen und Schneckenräder für senkrechte, nicht-sich-schneidende Wellen verwendet werden können. Es existiert ein bestimmter Typ von Schrägverzahnung, genannt gekreuzte Schrägverzahnung, der zur Leistungsübertragung zwischen senkrechten Wellen eingesetzt werden kann. Dies ist dem Schneckenrad ziemlich ähnlich; jedoch kann die gekreuzte Schrägverzahnung keine hohe Übersetzungsreduktion bieten. Typischerweise ist sie für 1:1 bis 1:2 Übersetzungsverhältnis geeignet (im Vergleich zu 1:15 bis 1:100 beim Schneckenrad). Ihre Anwendung ist auch aufgrund vieler Einschränkungen begrenzt.

Kontaktszenario zwischen paarenden Zähnen

Stirnräder haben gerade, parallel zur Radachse verlaufende Zähne. Zwei paarende Räder sind ebenfalls auf parallelen Wellen montiert. Somit kommen die Zähne zweier paarender Stirnräder in plötzlichen Kontakt und der Kontakt ist immer eine Linie der Länge gleich der Zahnbreite. Im Gegensatz dazu haben Schrägverzahnungen Helixzähne und sind auf parallelen Wellen montiert. So kommen die Zähne zweier paarender Schrägverzahnungen in allmählichen Kontakt. Ihr Eingriff beginnt mit einem Punkt und wird zu einer Linie und dann löst er sich allmählich als Punkt wieder. So bleibt die Kontaktlänge nicht konstant.

Stoßbelastung, Vibration und Geräusch

Da die Zähne zweier paarender Stirnräder in plötzlichen Kontakt kommen, erfahren sie eine Stoß- oder Schlagbelastung. Dies erzeugt auch signifikante Vibration und Geräusch, was manchmal die maximal zulässige Drehzahl begrenzt. Im Gegensatz dazu resultiert allmählicher Kontakt zwischen paarenden Zähnen in allmählicher Belastung der Zähne und geringerer Vibration und Geräusch. Somit können Schrägverzahnungen bei höheren Drehzahlen ohne große Probleme eingesetzt werden.

Zahnradzähne schneiden

Gerade Zähne zu schneiden ist vergleichsweise einfacher als Helixzähne zu schneiden. Zahnradfräsen oder Zahnradwälzfräsen können zum Schneiden von Stirnrad- und Schrägverzahnungszähnen verwendet werden. Beim Fräsen sind nur zwei simultane Bewegungen erforderlich, um Stirnradzähne zu schneiden; für Schrägverzahnungszähne sind jedoch drei simultane Bewegungen erforderlich.

Der wissenschaftliche Vergleich zwischen Stirnrad und Schrägverzahnung 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).