Schrägverzahnung vs. Fischgrätenrad: Wichtigste Unterschiede und Leistungsmerkmale

Maschinen benötigen eine kontinuierliche Energiequelle, um bestimmte Aufgaben auszuführen. Die meisten Industriemaschinen werden durch mechanische Leistung angetrieben, die in Form von Drehmoment vorliegt. Eine Primärmaschine wird verwendet, um mechanische Energie durch Umwandlung anderer Energieformen zu erzeugen; beispielsweise wandelt ein Elektromotor elektrische Energie in mechanische Energie um. Ein mechanisches Leistungsübertragungssystem wird verwendet, um Leistung von solchen Primärmaschinen an die vorgesehenen Stellen der Maschinen-Einheit zu übertragen. Es umfasst im Wesentlichen vier Antriebe; nimmt jedoch die Hilfe anderer mechanischer Elemente für ununterbrochene Leistungsübertragung in Anspruch. Zahnradgetriebe, Riemengetriebe, Kettengetriebe und Seilgetriebe sind vier mechanische Antriebe, die Bewegung, Drehmoment und Leistung von der Treiberwelle auf die Abtriebswelle übertragen können. Jeder dieser vier Antriebe hat unterschiedliche Merkmale und kann somit spezifische Vorteile gegenüber anderen bieten.

Ein Zahnradgetriebe ist ein eingreifender, starrer mechanischer Antrieb, der für kurze Distanzen der Leistungsübertragung geeignet ist. Es kann schwere Leistung ohne Schlupf übertragen (positiver Antrieb). Basierend auf der relativen Orientierung von Treiber- und Abtriebswellen und dem Zahnprofil kann das Zahnradgetriebe in vier Gruppen klassifiziert werden: Stirnrad, Schrägverzahnung, Kegelrad und Schneckenrad. Stirnrad ist der einfachste Radtyp mit geraden, parallel zur Radachse verlaufenden Zähnen und kann Leistung nur zwischen parallelen Wellen übertragen. Obwohl Schrägverzahnung ebenfalls für parallele Wellen verwendet wird, sind die Zähne nicht parallel zur Radachse. Hier werden die Zähne in Helixform auf dem Radrohling unter Beibehaltung desselben Schrägungswinkels geschnitten. Kegelrad kann gerade oder schräge Zähne haben und wird für sich schneidende Wellen verwendet; während Schneckenrad für senkrechte, aber nicht-sich-schneidende Wellen verwendet wird.

Obwohl Schrägverzahnungen bestimmte Vorteile gegenüber Stirnrädern bieten, üben sie axiale Schubkraft auf das Lager aus. Diese Schubkraft ist nachteilig und begrenzt die Leistungsübertragungsfähigkeit. Zudem erfordert sie kostspielige und voluminöse Lager, um unter radialer und axialer Belastung standzuhalten. Allerdings kann diese Schubkraft durch den Einsatz von Fischgrätenrädern oder doppeltschrägverzahnten Rädern eliminiert werden. Beim Fischgrätenrad werden die Zähne in zwei Hälften des Radrohlings geschnitten, wobei derselbe Modul, dieselbe Zähnezahl und derselbe Schrägungswinkel, aber entgegengesetzte Helixrichtung beibehalten werden. Somit ist die von jeder Hälfte des Fischgrätenrads erzeugte Schubkraft gleich und entgegengesetzt und hebt sich gegenseitig auf. Zudem kann es vergleichsweise höhere Leistung ohne größere Probleme übertragen. Verschiedene Unterschiede zwischen Schrägverzahnung und Fischgrätenrad sind unten in Tabellenform dargestellt.

Tabelle: Unterschiede zwischen Schrägverzahnung und Fischgrätenrad

Zahnprofil

Die Zähne der Schrägverzahnung werden in Form einer Helix auf dem Teilkreiszylinder geschnitten. Eine bestimmte Schrägverzahnung besteht entweder aus Links- oder Rechtshelixzähnen. Beim Eingriff kann eine Schrägverzahnung mit Linkshelix nur mit einer Schrägverzahnung mit Rechtshelix paaren. Andererseits besteht ein Fischgrätenrad aus beiden Helixrichtungen in einer einzelnen Radeinheit. Jedes Fischgrätenrad hat zwei distinkte Hälften – eine Hälfte muss Linkshelixzähne haben und die andere Hälfte sollte Rechtshelixzähne haben. Andere Merkmale wie Teilkreisdurchmesser, Modul, Zähnezahl, Schrägungswinkel und Breite oder Dicke sind in beiden Hälften gleich; der einzige Unterschied ist ihre Helixrichtung.

Schubkraft

Schrägverzahnung bietet viele Vorteile gegenüber Stirnrad, wie allmähliche Belastung der Zähne, weniger Vibration, höhere Tragfähigkeit, längere Lebensdauer etc. Der Hauptnachteil ist die Schubkraft. Da die Zähne des Stirnrads gerade und parallel zur Radachse sind, induziert ein Paar paarender Stirnräder nur Radiallast. Aufgrund der Helixform der Zähne induziert ein Paar paarender Schrägverzahnungen sowohl Radiallast als auch Axiallast. Daher werden stärkere Lager benötigt, um beide Lastarten gleichzeitig zu tragen. Das Fischgrätenrad kann ähnliche Vorteile wie die Schrägverzahnung bieten und gleichzeitig die Schubkraft eliminieren. Hier ist die von jeder Hälfte erzeugte Schubkraft gleich und entgegengesetzt (wegen entgegengesetzter Helixrichtung) und somit wird die resultierende Schubkraft null. Ein Paar paarender Fischgrätenräder induziert somit keine axiale Schubkraft auf die Lager (nur Radialkraft existiert).

Schrägungswinkel

Die Schubkraft nimmt mit dem Schrägungswinkel der Zähne zu; jedoch kann ein höherer Schrägungswinkel Vibration und Zahnverschleiß signifikant reduzieren und die Tragfähigkeit erhöhen. Diese Schubkraft begrenzt den maximalen Schrägungswinkel bei der Schrägverzahnung. Typischerweise wird er zwischen 20–25° gehalten. Allerdings ermöglicht die Abwesenheit der Schubkraft beim Fischgrätenrad den Einsatz höherer Schrägungswinkel, sogar bis zu 45°.

Lager für die Wellenmontage

Treiber- und Abtriebswellen werden an beiden Enden mit geeigneten Lagern montiert. Abgesehen von der Unterstützung der Wellen und der Aufrechterhaltung der genauen Position nehmen Lager auch Vibration und Last auf und leiten sie anschließend über den Rahmen in den Boden ab. Typischerweise werden Wälzlager in Getriebeeinheiten eingesetzt, es sei denn, die Drehzahl ist sehr hoch. Es gibt verschiedene Arten von Wälzlagern, einige eignen sich nur für Radiallast, einige nur für Axiallast und wenige für Radial- und Schubkraft. Beispielsweise können Rillenkugellager, Schrägkugellager und Kegelrollenlager sowohl Radiallast als auch Schubkraft aufnehmen. Daher können diese Lager für Schrägverzahnungseinheiten eingesetzt werden. Andererseits können Zylinderrollenlager schwere Radiallast aufnehmen und somit mit Fischgrätenradeinheiten genutzt werden.

Leistungsübertragungskapazität

Die Grundfunktion jedes mechanischen Antriebs ist die Übertragung mechanischer Leistung von der Treiberwelle auf die Abtriebswelle. Verschiedene Antriebe bieten unterschiedliche Übertragungsniveaus basierend auf Größe, Material und anderen Merkmalen. Obwohl die Übertragungskapazität der Schrägverzahnung vergleichsweise höher ist als die eines ähnlichen Stirnrads, wird sie generell nicht für schwere Anwendungen verwendet. Die Schubkraft und die Verfügbarkeit von Lagern setzen die Grenze in schweren Anwendungen. Fischgrätenräder und doppeltschrägverzahnte Räder sind die bevorzugte Wahl für solche Bereiche. Beispielsweise kann ein fischgrätenradbasiertes Planetengetriebe (HPGT) in schweren Maschinen wie Kohleschneidern, Luft- und Raumfahrtmotoren, Windturbinen etc. beobachtet werden.

Radfertigung

Helixzähne auf dem zylindrischen Radrohling zu schneiden ist nicht schwierig; jedoch entsteht ein Problem, wenn am Ende der Zähne kein Freiraum existiert. Wie beim Stirnrad können Schrägverzahnungszähne auch mit einem Ritzel-förmigen Zahnradformfräser geschnitten werden. Wälzfräsen kann ebenfalls für das Schneiden von Schrägverzahnungen verwendet werden. Beim Fischgrätenrad existiert jedoch kein Entlastungsgap zwischen linker und rechter Hälfte. Daher ist das Schneiden der Zähne an dieser Stelle recht kompliziert, da die Gefahr besteht, in die andere Hälfte zu übergreifen. Es erfordert einen spezialisierten Wälzfräser mit einer Nut, die zum Fischgrätenrad passt. Hohe lokale und winkelmäßige Ausrichtungsgenauigkeit sind ebenfalls erforderlich.

Der wissenschaftliche Vergleich zwischen Schrägverzahnung und Fischgrätenrad 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).