Fischgrätenrad vs. Doppelhelicalrad: Wichtigste Unterschiede erklärt

Mechanische Antriebe werden verwendet, um Bewegung, Drehmoment und Leistung von der Treiberwelle (meist eine Primärmaschine wie Elektromotor) auf die Abtriebswelle (wie Maschinen-Einheit) zu übertragen. Es gibt vier mechanische Antriebe: Zahnradgetriebe, Riemengetriebe, Kettengetriebe und Seilgetriebe. Jeder von ihnen hat spezifische Merkmale und ist für bestimmte Anwendungsarten geeignet. Ein Zahnradgetriebe wird für Leistungsübertragung über kurze Distanzen bevorzugt. Es ist ein positiver Antrieb und kann so ausgelegt werden, dass es Leistung in jedem Winkel und in jeder Ebene überträgt. Es gibt vier grundlegende Radtypen: Stirnrad, Schrägverzahnung, Kegelrad und Schneckenrad. Ein Stirnrad hat gerade, parallel zur Radachse verlaufende Zähne und kann Leistung nur zwischen parallelen Wellen übertragen. Aufgrund des plötzlichen Kontakts zwischen den Zähnen zweier paarender Stirnräder erfährt der Zahn Stoß- oder Schlagbelastung.

Probleme, die mit Stoßbelastung verbunden sind, können durch den Einsatz von Schrägverzahnung eliminiert werden. Wie beim Stirnrad wird Schrägverzahnung auch für parallele Wellen verwendet; jedoch werden die Zähne in Form einer Helix auf dem zylindrischen Radrohling geschnitten. Die Helixzähne zweier paarender Räder kommen allmählich in Kontakt, was zu allmählicher Belastung der Zähne führt (statt Stoßbelastung wie beim Stirnrad). Dies erhöht auch die Leistungsübertragungsfähigkeit und reduziert gleichzeitig Vibration. Allerdings induziert das Helixprofil des Zahns axiale Schubkraft auf das Lager, was manchmal nachteilig ist und die maximal zulässige Drehzahl der Anwendung begrenzt. Um die Schubkraft zu eliminieren, während die Helixform der Zähne beibehalten wird, können entweder Fischgrätenrad oder Doppelhelicalrad eingesetzt werden.

In beiden Fällen 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 Rads erzeugte Schubkraft gleich und entgegengesetzt und hebt sich gegenseitig auf. Obwohl Fischgrätenrad oder Doppelhelicalrad frei von Axiallast sind, gibt es einige Unterschiede zwischen ihnen in Bezug auf konstruktive Merkmale und ihre Herstellung. Beim Doppelhelicalrad wird ein kleiner Entlastungsfreiraum zwischen den beiden Hälften bereitgestellt. So berühren sich die Zähne der Linkshelix nicht physisch mit den Zähnen der Rechtshelix. Im Fall des Fischgrätenrads wird jedoch kein solcher Freiraum bereitgestellt, sodass sich Zähne mit Linkshelix mit Zähnen mit Rechtshelix berühren. Verschiedene Unterschiede zwischen Fischgrätenrad und Doppelhelicalrad sind unten in Tabellenform dargestellt.

Tabelle: Unterschiede zwischen Fischgrätenrad und Doppelhelicalrad

Vorhandensein eines Entlastungsfreiraums

Ein Entlastungsfreiraum zwischen den Linkshelix- und Rechtshelixzähnen ist der Hauptunterscheidungsfaktor. Beim Fischgrätenrad wird kein Freiraum bereitgestellt, sodass Linkshelixzähne in physischem Kontakt mit Rechtshelixzähnen bleiben. Beim Doppelhelicalrad wird ein kleiner Freiraum (2–10 cm basierend auf der Größe) zwischen Linkshelix- und Rechtshelixzähnen beibehalten.

Schwierigkeiten bei der Herstellung der Räder

Beim Schneiden der Radzähne für das Fischgrätenrad darf der Fräser nicht über die Zahnflanke auf einer Seite hinausbewegen (wo die Verbindung existiert). Jedes Übergreifen wird eine unerwünschte Nut auf der anderen Hälfte erzeugen, da kein intermediärer Freiraum existiert. Dies macht die Herstellung kompliziert und erfordert eine dedizierte Maschine, um solche Radzähne zu schneiden. Im Fall des Doppelhelicalrads erlaubt der kleine Entlastungsfreiraum dem Fräser, sich frei über die Zahnflanke hinauszubewegen. Aufgrund der Fertigungsschwierigkeiten sind die Kosten des Fischgrätenrads marginal höher als die Kosten eines ähnlichen Doppelhelicalrads.

Axiale Breite

Breite oder Dicke des Rads bestimmt tatsächlich die Zahnfestigkeit und die Leistungsübertragungsfähigkeit. Aufgrund des kleinen Entlastungsfreiraums im Doppelhelicalrad ist die Zahnflankenbreite nicht äquivalent zur Radbreite. Für dieselbe Radbreite und andere Merkmale wird die Zahnflankenbreite des Fischgrätenrads größer sein und folglich seine Übertragungsfähigkeit höher. Umgekehrt kann für eine spezifizierte Leistungsübertragung ein dünneres Fischgrätenrad eingesetzt werden. Dies ist besonders geeignet für das Design einer kompakten Maschinen-Einheit mit begrenztem verfügbarem Platz.

Der wissenschaftliche Vergleich zwischen Fischgrätenrad und Doppelhelicalrad 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).