Unterschied zwischen Stirnrad und Schrägzahnrad

Mechanische Antriebe werden verwendet, um Bewegung, Drehmoment und Leistung von der Antriebswelle (z. B. Antriebsmaschine) auf die angetriebene Welle (z. B. Maschineneinheit) zu übertragen. Es gibt vier mechanische Antriebe, nämlich Zahnradantrieb, Riemenantrieb, Kettenantrieb und Seilantrieb. Im Gegensatz zum Riemenantrieb (Reibungsantrieb) ist der Zahnradantrieb ein Eingriffsantrieb, was darauf hinweist, dass die Kraftübertragung durch aufeinanderfolgendes Einrücken und Ausrücken der Zähne von zwei Zahnrädern erfolgt. Es ist auch ein starrer Antrieb, da zwischen zwei Zahnrädern kein flexibles Zwischenelement vorhanden ist. Hier greift das Antriebszahnrad direkt in das entsprechende Abtriebszahnrad ein und ist somit für die Kraftübertragung über kurze Distanzen geeignet. Seine Kraftübertragungskapazität ist jedoch sehr hoch und kann eine breite Palette von Geschwindigkeitsuntersetzungen bieten (von 1:1 bis 1:100, in einer Stufe). Es kann auch ein konstantes Geschwindigkeitsverhältnis bieten, da es von Natur aus frei von Schlupf, Kriechen oder polygonalen Effekten ist.

Zahnräder können in vier Grundgruppen eingeteilt werden:Stirnrad, Schrägstirnrad, Kegelrad und Schneckenrad. Jedes dieser Zahnräder hat spezifische Merkmale und kann bestimmte Vorteile gegenüber anderen bieten. Ein Stirnrad ist die einfachste, die verwendet wird, um Bewegung und Kraft zwischen parallelen Antriebs- und angetriebenen Wellen zu übertragen. Es hat gerade Zähne parallel zur Zahnradachse. Ein weiteres ähnliches Zahnrad, das als Schraubenrad bezeichnet wird , wird auch für parallele Wellen verwendet; seine Zähne sind jedoch spiralförmig über den zylindrischen Rohling geschnitten. Andererseits wird ein Kegelradgetriebe zum Kreuzen von Wellen verwendet, die senkrecht oder nicht senkrecht sein können. Es kann Zähne entlang der Zahnradachse (geradverzahntes Kegelrad) oder in Spiralform (spiralverzahntes Kegelrad) haben. Das Schneckengetriebe wird für rechtwinklige, aber sich nicht schneidende Wellen verwendet.

Obwohl sowohl Stirnrad als auch Schrägstirnrad für parallele Wellen gedacht sind, hat jedes eine andere Zahnausrichtung und ist für unterschiedliche Anwendungen geeignet. Bei Stirnradgetrieben , kommen die Zähne der Gegenräder schlagartig in Kontakt. Somit erfährt der Zahn eine Stoß- oder Stoßbelastung. Es verursacht Vibrationen und verringert außerdem die Lebensdauer des Getriebes. Spiralförmige Zähne können dieses Problem beseitigen. In zwei ineinandergreifenden Schrägverzahnungen , die Zähne treten allmählich in Kontakt und sind somit frei von Stoß- oder Stoßbelastungen. Es kann eine vergleichsweise höhere Last tragen. Es bietet auch eine höhere Geschwindigkeitsreduzierung. Im Gegensatz zu einem Stirnrad, das nur radial belastet wird, übt ein Schrägrad sowohl radiale als auch axiale Belastungen auf die Lager aus. Verschiedene Unterschiede zwischen Stirn- und Schrägstirnrad sind unten in Tabellenform aufgeführt.

Tabelle:Unterschiede zwischen Stirn- und Schrägverzahnung

Konfiguration der Verzahnung: Der offensichtliche Unterschied zwischen Stirnrädern und Schrägstirnrädern ist die Form ihrer Zähne. Stirnrad hat gerade Zähne, die parallel zur Achse des Zahnrads sind. Es ist erwähnenswert, dass gerade Kegelräder auch gerade Zähne haben, die entlang der Zahnradachse orientiert sind, aber sie sind nicht parallel zur Zahnradachse (sie sind geneigt und schneiden sich daher). Wie der Name schon sagt, hat ein Schrägzahnrad Zähne in Spiralform, die auf dem Teilungszylinder geschnitten sind. Ein Schrägzahnrad kann entweder eine linksgängige oder eine rechtsgängige Steigung haben. Der Schrägungswinkel kann von einem Zahnrad zum anderen variieren. Typischerweise liegt er zwischen 15 – 25°; Für Doppelschrägverzahnungen oder Pfeilverzahnungen kann jedoch ein größerer Schrägungswinkel (bis zu 45°) verwendet werden.

Art der Belastung und entsprechende Lager: Beim Zusammenstecken zweier Zahnräder erfahren die Lager Drehmomente und Kräfte, die letztendlich auf den Boden übertragen werden. Richtung und Intensität einer solchen Kraft variieren basierend auf der Rotationsgeschwindigkeit und der Zahnkonfiguration. Da einige Lager nur radiale Belastungen effizient bewältigen können, einige nur axiale Belastungen und wenige beide Belastungen bewältigen können, müssen geeignete Lager basierend auf der Art und Intensität solcher Kräfte ausgewählt werden. Aufgrund der geraden Verzahnung belasten Stirnräder die Lager nur radial. Somit kann ein billigeres Zylinderrollenlager verwendet werden. Andererseits üben Schrägstirnräder eine erhebliche radiale Belastung und Axialbelastung auf die Lager aus. So können Rillenkugellager, Schrägkugellager und Kegelrollenlager eingesetzt werden, da diese Lager sowohl axial als auch radial belastet werden können.

Ausrichtung von Antriebs- und Abtriebswelle: Ein grundlegender Vorteil des Zahnradantriebs gegenüber anderen mechanischen Antrieben (wie Riemen- oder Kettenantrieb) ist die Möglichkeit, ihn für nicht parallele Wellen zu verwenden. Jedoch sind mehrere Arten von Getrieben für unterschiedliche Ausrichtungen von Antriebs- und Abtriebswellen geeignet. Sowohl Stirnrad- als auch Schrägstirnräder werden überwiegend für parallele Wellen verwendet; wohingegen Kegelräder für sich kreuzende Wellen verwendet werden können und Schneckengetriebe für senkrechte, sich nicht schneidende Wellen verwendet werden können. Es gibt eine besondere Art von Schrägstirnrad, genannt gekreuztes Schrägstirnrad, das zum Übertragen von Kraft zwischen senkrechten Wellen verwendet werden kann. Dies ist dem Schneckengetriebe ziemlich ähnlich; jedoch kann ein gekreuztes Schrägstirnrad keine hohe Geschwindigkeitsreduzierung liefern. Typischerweise ist es für ein Übersetzungsverhältnis von 1:1 bis 1:2 geeignet (im Vergleich zu 1:15 bis 1:100 bei Schneckengetrieben). Seine Anwendung ist aufgrund vieler Einschränkungen ebenfalls begrenzt.

Kontaktszenario zwischen zusammenpassenden Zähnen: Stirnräder haben gerade Zähne parallel zur Zahnradachse. Zwei ineinandergreifende Zahnräder sind ebenfalls in parallelen Wellen montiert. Somit kommen die Zähne zweier zusammenpassender Stirnräder in plötzlichen Kontakt, und der Kontakt ist immer eine Linie, deren Länge gleich der Zahnflächenbreite ist. Im Gegensatz dazu haben Schrägstirnräder Schrägverzahnung und sind auf parallelen Wellen montiert. So kommen die Zähne von zwei zusammenpassenden Schrägstirnrädern allmählich in Kontakt. Ihr Engagement beginnt mit einem Punkt und wird zu einer Linie und löst sich dann allmählich als Punkt. Die Kontaktlänge bleibt also nicht konstant.

Stoßbelastung, Vibration und Lärm: Da die Zähne von zwei zusammenpassenden Stirnrädern plötzlich in Kontakt kommen, erfahren sie eine Stoß- oder Stoßbelastung. Dies erzeugt auch erhebliche Vibrationen und Geräusche, die manchmal der maximal zulässigen Betriebsgeschwindigkeit Grenzen auferlegen. Im Gegensatz dazu führt ein allmählicher Kontakt zwischen zusammenpassenden Zähnen zu einer allmählichen Belastung der Zähne und zu geringeren Vibrationen und Geräuschen. Somit können Schrägverzahnungen problemlos bei höheren Drehzahlen eingesetzt werden.

Zahnradzähne: Das Schneiden von geraden Zähnen ist vergleichsweise einfacher als das Schneiden von Schrägverzahnungen. Verzahnungsfräsen oder Verzahnungsfräsen kann verwendet werden, um Zähne von Stirn- und Schrägverzahnungen zu schneiden. Beim Fräsen sind nur zwei gleichzeitige Bewegungen erwünscht, um Zähne von Stirnrädern zu schneiden; jedoch sind drei simultane Bewegungen erforderlich, um Zähne von Schrägverzahnungen zu schneiden.

In diesem Artikel wird ein wissenschaftlicher Vergleich zwischen Stirnrädern und Schrägstirnrädern vorgestellt. Der Autor empfiehlt Ihnen außerdem, die folgenden Referenzen durchzugehen, um das Thema besser zu verstehen.

1. Design of Machine Elements von V. B. Bhandari (vierte Ausgabe; McGraw Hill Education).
2. Maschinendesign von R. L. Norton (fünfte Ausgabe; Pearson Education).
3. Ein Lehrbuch des Maschinendesigns von R. S. Khurmi und J. K. Gupta (S. Chand; 2014).