Zahnradtypen:Ein Leitfaden zu verschiedenen mechanischen Zahnrädern

Zahnräder, ein wesentlicher Bestandteil von Motoren, sind mechanische Vorrichtungen, die eine Änderung des Drehmoments und der Drehzahl von Maschinen ermöglichen. Es gibt verschiedene Arten von Zahnrädern mit spezifischen Anforderungen und Spezifikationen, die von einfachen Formen bis hin zu komplexeren reichen.

Häufig bilden mehrere Zahnräder komplexe Maschinen, aber das ist nicht immer der Fall. Zahnräder sind beispielsweise in einfachen Maschinen wie Uhren vorhanden, wo sie die Geschwindigkeit des Uhrzeigers regulieren. In diesem Artikel werden wir verschiedene mechanische Zahnräder und ihre Anwendungen diskutieren. Lesen wir weiter.

Was sind Zahnräder?

Zahnräder sind rotierende mechanische Vorrichtungen mit Zähnen, die eine Drehmoment- und Drehzahlübertragung ermöglichen. Mechanische Zahnräder sind häufig zylindrisch mit Zahnsätzen um den Körper herum. Wenn zwei oder mehr Gänge synchron arbeiten, befinden sie sich im Getriebe. Die Kraftübertragung führt zu einer Drehzahl- oder Drehmomentänderung.

Vorteile von Zahnrädern

• Getriebe sind mechanisch stark. Daher können sie höhere Lasten heben.
• Sie ermöglichen mit Hilfe eines Getriebes eine Änderung der Geschwindigkeitsverhältnisse.
• Sie funktionieren gut bei niedrigen Geschwindigkeiten.
• Hocheffiziente Kraftübertragung.
• Sie sind ideal für die Übertragung hoher Drehmomentwerte.
• Getriebe erfordern nur eine routinemäßige Schmierung, folglich wenig Aufmerksamkeit für die Wartung.
• Sie sind sehr langlebig, sodass das Getriebesystem lange hält.

Nachteile von Zahnrädern

• Getriebe sind nicht für die Übertragung von Bewegungen über große Entfernungen geeignet.
• Sie sind nicht flexibel.
• Getriebe sind laut, besonders bei hohen Geschwindigkeiten.
• Sie sind nicht geeignet, wenn die Wellen weit entfernt sind.

Verschiedene Arten von Zahnrädern und ihre Anwendungen

In der Mechanik hängt die Gruppierung von Zahnrädern in verschiedene Klassen von der Zahnkonfiguration, der Verwendung und der Bewegungsrichtung ab. Nachfolgend sind die wichtigsten Arten von Zahnrädern aufgeführt.

Stirnrad

Stirnräder übertragen Kraft in derselben Ebene, wenn die beiden Wellen (die antreibende und die angetriebene) parallel sind. Die Zähne von Stirnrädern sind parallel zur Wellenachse. Wenn es also mit einem anderen Stirnrad kämmt, überträgt es die Kraft in eine parallele Welle. Sie sind die gebräuchlichsten Formen von Getrieben, die Anwendungen in der Automobilindustrie, Fördersystemen, Zahnradpumpen und -motoren, Untersetzungsgetrieben usw. finden.

Schrägzahnrad

Bei Stirnrädern stehen die Zähne im Gegensatz zu parallelen Stirnrädern schräg zur Welle. Sie haben während der Übertragung mehrere Zähne in Kontakt. Infolgedessen können schrägverzahnte mechanische Zahnräder größere Lasten tragen. Außerdem arbeiten sie mit weniger Lärm und Vibrationen, da die Lasten besser verteilt werden. Darüber hinaus unterliegen sie weniger Verschleißbedingungen, da weniger Reibung vorhanden ist. Unten werden verschiedene Schrägstirnradtypen dargestellt.

Einfaches oder doppeltes Schrägstirnrad

Einfachschrägverzahnte Zahnräder haben Zähne entweder in der Linksschräge oder in der Rechtsschräge. Die Doppelschrägverzahnungen sind jedoch in beiden Richtungen verzahnt. Bei Doppelschrägverzahnungen liegen zwei Schrägflächen nebeneinander mit einem Zwischenraum. Die Flächen sind identisch, haben aber entgegengesetzte Schrägungswinkel. Die Verwendung eines doppelt schrägverzahnten Zahnrads gewährleistet eine stärkere Zahnüberlappung, was zu einer gleichmäßigeren Übertragung führt.

Fischgrätengetriebe

Dieser Satz ist dem Doppelschrägzahnrad ziemlich ähnlich. Sie sind jedoch kleiner und haben keinen Zwischenraum zwischen den beiden Schraubenflächen. Bei Fischgrätenrädern sind die beiden Schrägstirnräder Seite an Seite verbunden. Sie sind aufgrund hoher Produktionskosten und Herstellungsschwierigkeiten nicht so verbreitet, obwohl sie besser für Anwendungen mit Vibrationen und starken Stößen geeignet sind.

Schraubenrad

Schraubenzahnräder sind ein Paar Schrägstirnräder, die mit einem Verdrehungswinkel von 45 Grad arbeiten. Sie treten an nicht parallelen und sich nicht schneidenden Wellen auf. Aufgrund des Einzelzahnkontaktes haben sie eine geringe Tragfähigkeit. Daher sind diese Zahnräder nicht ideal für die Übertragung großer Kräfte.

Anwendungen von Schrägverzahnungen

• Wasserpumpen
• Mixer
• Automobile

Kegelrad

Kegelräder sind kegelförmig, mit Zähnen um den Kegel herum. Sie übertragen Kraft zwischen senkrechten Wellen. Das sind Wellen, die sich im rechten Winkel (90 Grad) schneiden. Kegelräder sind jedoch teuer und übertragen kein großes Drehmoment pro Größe wie Parallelwellenkonfigurationen.

Gerade Kegelräder

Gerade Kegelräder sind die häufigsten Konfigurationen der Kegelradverzahnung. Der Grund dafür ist die Einfachheit des Designs und die einfache Herstellung. Gerade abgeschrägte Zähne greifen bei richtiger Anpassung alle auf einmal und nicht allmählich ineinander. Die Wälzfläche von geraden Kegelradtypen ist konisch mit geraden Zähnen, die sich zur Spitze hin verjüngen.

Spiralkegelräder

Mechanische Spiralkegelräder haben gekrümmte Zahnlinien und ein besseres Zahnüberdeckungsverhältnis als das gerade Kegelrad. Daher sind sie in Effizienz und Festigkeit überlegen und erzeugen weniger Vibrationen und Geräusche. Sie haben jedoch Herstellungsschwierigkeiten.

Zerol® Kegelräder

Zerol®-Kegelräder sind ein eingetragenes Warenzeichen von Gleason Co. Das Zahnrad übernimmt Merkmale sowohl von geraden als auch von Spiralkegelrädern mit Kurvenverzahnung. Daher ist das Getriebe für beide Anwendungen geeignet. Sie haben jedoch keinen Verdrehwinkel, und daher können sich die Zähne in beide Richtungen drehen.

Gehrungsgetriebe

Winkelgetriebe sind eine spezielle Art von Kegelrädern, da sie die gleiche Anzahl von Zähnen haben. Sie haben ihre Wellen im 90-Grad-Winkel zueinander positioniert, und diese Zahnräder ändern die Kraftübertragung, ohne die Geschwindigkeit zu beeinträchtigen. Winkelgetriebe sind einzigartig, weil sie eine Übersetzung von 1 haben. Im Gegensatz dazu können andere Kegelradgetriebe Übersetzungen von 10:1 bis 500:1 haben.

Kronenräder

Kronenräder, die manchmal Kronenräder genannt werden, haben ihre Zähne ebenfalls rechtwinklig zur Stirnfläche des Rades. Sie haben einen Steigungskegel von 90 Grad. In der Industrie kämmen Kronenräder mit anderen Kegelrädern oder Stirnrädern in Kraftkreisbewegungen.

Hypoidzahnräder

Hypoidzahnräder sehen Spiralkegelrädern ähnlich, funktionieren aber in sich nicht schneidenden Wellen. Sie arbeiten bei 90 Grad und sind in der Automobilbranche üblich. Sie sehen diese Zahnräder an Fahrzeugachsen.

Anwendungen von Kegelrädern

• Mixer
• Bewässerungssysteme
• Zerkleinerer

Schneckenrad

Schneckengetriebe bestehen aus einem schraubenförmigen Schnitt auf der Welle (Schnecke) und dem Gegenrad (Schneckenrad). Dieser Getriebetyp überträgt die Kraft in sich nicht schneidenden Wellen, die einen rechten Winkel bilden. Die Arten von Zahnrädern funktionieren, indem sie einen Gleitkontakt mit weniger Reibung herstellen, eher mit einer sanften und leisen Drehung. Daher sind sie für Anwendungen mit hohen Schocks geeignet. Sie haben jedoch einen geringen Wirkungsgrad, was ihre Verwendung auf Anwendungen mit geringem Stromverbrauch beschränkt.

Anwendungen von Schneckengetrieben

• Landmaschinen
• Kleine Förderbänder
• Verpackungsanlagen

Zahnstangengetriebe

Zahnstangengetriebe treten oft paarweise auf. Sie bestehen aus zwei kreisförmigen Zahnrädern:dem Ritzel, das in ein lineares Zahnrad – die Zahnstange – eingreift. Sie übersetzen Drehbewegungen in Linearbewegungen. Diese Zahnräder sind im Lenksystem von Automobilen üblich. Zahnstangengetriebesysteme können entweder gerade oder schrägverzahnte Zahnräder verwenden. Die Hauptanwendung von Zahnstangen und Ritzel ist in der Automobillenkung.

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Eine kurze Tabelle verschiedener Arten von mechanischen Getrieben

Arten von Zahnrädern	Eigenschaften	Anwendungen
Stirnrad	a. Die häufigste Form der Ausrüstung. b. Einfach herzustellen. c. Verwendung für Getriebekonfigurationen mit parallelen Achsen. d. Kreisradkörper.	a. Uhren b. Kleine Förderer c. Automobil
Schrägzahnrad	a. Kreisförmiger Getriebekörper. b. Der Wirkungsgrad ist geringer als bei Stirnrädern. c. Konfiguration mit parallelen Achsen. Reibungsloser Betrieb mit weniger Lärm.	a. Wasserpumpen b. Mischer c. Automobile
Kegelrad	a. Konischer Getriebekörper. b. Konfiguration der sich schneidenden Achsen. c. Es gibt gerade, spiralförmige und Zerol®-Fasenausführungen.	a. Mischer b. Bewässerungssysteme c. Brecher
Schneckengetriebe	a. Das Zahnradpaar besteht aus Kreis- und Schraubenzahnrädern. b. Geringe Effizienz. c. Nicht parallele und sich nicht überschneidende Konfigurationen.	a. Landmaschinen b. Kleine Förderer
Zahnstangengetriebe	a. Das Zahnradpaar besteht aus einer Zahnstange und einem Stirnrad. b. Konfiguration paralleler Achsen. c. Ändert die Drehbewegung in eine lineare Bewegung und umgekehrt.	a. Kfz-Lenkung b. Waage

Grundlegende Parameter für die Zahnradkonstruktion

Im Folgenden werden wir grundlegende Zahnradparameter besprechen, die sich auf Zahnraddesigns auswirken.

Zahnradform

Die meisten Zahnräder sind kreisförmig, wobei die Zähne um den zylindrischen Körper herum ausgerichtet sind. Sie kommen aber auch in konischen, elliptischen, quadratischen und dreieckigen Formen vor. Kreisgetriebe haben ein konstantes Übersetzungsverhältnis für Drehzahl und Drehmoment. Daher erzeugt ein ähnlicher Eingang dieselbe Drehzahl und denselben Drehmomentausgang. Das Gegenteil ist bei unrunden Zahnradtypen der Fall. Folglich können sie spezielle unregelmäßige Bewegungsanforderungen ausführen, wie z. B. Geschwindigkeitsänderung und Rückwärtsbewegung.

Modul

Modul bezieht sich auf die Größe eines Zahnradzahns in Millimetern. Daher bezieht sich der Modul direkt auf die Größe der Verzahnung. Es ist ein wichtiger Parameter, auf den man bei der Verzahnung achten muss. Der Modul ist der Wert, den man erhält, wenn man den Flankendurchmesser durch die Anzahl der Zähne im Zahnrad dividiert. Mathematisch haben wir es als:

Modul =Flankendurchmesser / Zähnezahl.

Es gibt jedoch gängige Werte für Module, die sich daran orientieren, wie sie in industriellen Anwendungen vorkommen.

Getriebeachsenkonfiguration

Zahnradachsenkonfigurationen gibt es in drei Formen:parallel, schneidend und nicht parallel (oder nicht schneidend). Achsparallele Zahnräder treten parallel zu gegenläufig rotierenden Wellen auf. Sich schneidende Zahnräder schneiden sich auf derselben Ebene, während die Achsen der nicht parallelen Zahnräder unterschiedliche Ebenen schneiden. Allerdings haben sich überschneidende und parallele Zahnradkonfigurationen eine höhere Effizienz und Geschwindigkeit als nicht parallele Zahnräder.

Druckwinkel

Der Eingriffswinkel ist der Winkel, den der Zahn mit der Normalen zur Wälzlinie bildet. In der Regel wird oft ein Eingriffswinkel von 20 Grad verwendet. In einigen Fällen existieren jedoch Winkel von 14,5 und 17,5. Größere Eingriffswinkel weisen auf einen breiten Fußfuß hin, was zu einer größeren Zahnfestigkeit führt.

Anzahl der Zähne

Für die Dimensionierung von Zahnrädern sind die Zähnezahl sowie die Werte von Modul und Eingriffswinkel ausschlaggebend. Die Anzahl der Zähne ist entscheidend für die Berechnung der Getriebedrehzahl (Übersetzungsverhältnis) mit dem folgenden Ausdruck:

Anzahl der Zähne des Eingangszahnrads / Anzahl der Zähne des Ausgangszahnrads.

Drehrichtung

Ein Zahnrad ist rechtsgängig, wenn es seine Zähne rechts hat, und linksgängig, wenn sie links sind. Damit die Kraftübertragung in einem Paar Stirnrad- oder Kegelräder erfolgt, müssen die beiden Hand in Hand arbeitenden Zahnräder entgegengesetzte Drallrichtungen haben. Beispielsweise werden zwei Schrägstirnräder mit Zähnen, die sich in die gleiche Richtung bewegen, niemals ineinandergreifen. Schrauben- und Schneckengetriebe sind jedoch unidirektional und kämmen dennoch.

Torsionswinkel

Torsionswinkel ist der Neigungswinkel des Zahns relativ zur Zylinderachse. Die Erhöhung des Torsionswinkels von Zahnrädern führt zu einer deutlicheren Schubrichtung. Dadurch sinkt die Effizienz der Maschine. Im Allgemeinen sind Torsionswinkel von weniger als 25 Grad ideal für Schrägverzahnungen, um den Schub zu reduzieren.

Überlegungen bei der Konstruktion und Auswahl von Zahnrädern

Nachfolgend sind einige wichtige Faktoren aufgeführt, die bei der Konstruktion und Auswahl von Zahnrädern zu berücksichtigen sind.

Betriebs- und Umgebungsbedingungen

Die Betriebs- und Umgebungsbedingungen von Getrieben sind entscheidend für ihre Haltbarkeit und Leistung. Zu den Betriebsbedingungen gehören Belastung und Reibung, die auf die Zähne ausgeübt werden. Andererseits umfassen Umgebungsbedingungen Feuchtigkeit, Temperatur und Sauberkeit. Die beiden Bedingungen beeinflussen den Getriebetyp und Konstruktionsfaktoren wie Konstruktion, Oberflächenbehandlung, Schmiermittel und Schmierverfahren.

Abmessungsbeschränkungen

Abmessungsbeschränkungen sind Beschränkungen des von Zahnrädern eingenommenen Raums. Beispielsweise sollten Zahnräder in der Mitte zwischen Wellen liegen. Es gibt jedoch Fälle, in denen sie etwas weiter von der Mitte entfernt sind, um besser zum Getriebesystem zu passen. In solchen Fällen wird das Zahnprofil geändert. Die Verwendung spezieller Ausrüstung und Designs, die am besten zum Raum passen, ist ein weiteres effektives Mittel, um Dimensionsbeschränkungen zu bewältigen.

Übertragungsanforderungen

Mechanische Getriebe übertragen häufig Bewegungen und Drehmomente innerhalb der Maschinenkomponenten. Je nach Design und Konstruktion können sie jedoch die Bewegungsrichtung ändern und die Drehzahl oder das abgegebene Drehmoment erhöhen. Bei der Konstruktion von Zahnrädern sind die Spezifikations- und Anwendungsanforderungen zu berücksichtigen:Richtungsänderungen oder Erhöhung der Drehzahl oder des Drehmoments sind zu berücksichtigende Faktoren. Sie können den Getriebetyp, das Design und die Konfiguration beeinflussen.

Designstandards

Zahnräder haben verschiedene Spezifikationen ohne allgemeinen Industriestandard. Getriebekonstruktionen entsprechen häufig entweder der Herstellernorm oder den Konstruktionsvorgaben der Maschine oder Anlage. Mehrere Länder haben jedoch einen Standard geschaffen, der ihren Branchen dient. In den Vereinigten Staaten werden Zahnräder beispielsweise von der American Gear Manufacturers Association (AGMA) gruppiert. Auch Japan und Deutschland haben solche Assoziationen.

Kosten

Kosten sind ein Faktor, insbesondere wenn es um kundenspezifische Zahnräder geht. Die Konstruktionsmaterialien, die Konstruktion, die Oberflächenbeschaffenheit, die Präzision und die Anforderungen an die Schmierung wirken sich auf die Kosten aus. Während es notwendig ist, Zahnräder zu verwenden, die alle Spezifikationen erfüllen, müssen die Kosten berücksichtigt werden. Wenn also normale Ausrüstung dem Standard entspricht, ist es besser, sie zu verwenden, da kundenspezifische Ausrüstung andere Kosten nach sich zieht.

Wie man Zahnräder herstellt

Zahnräder werden mit mehreren Zahnradherstellungsprozessen hergestellt. Einige davon sind:

• Schmieden
• Extrusion und Kaltziehen
• Pulvermetallurgie
• Leerzeichen
• Zahnradbearbeitung

Oft wird eine maschinelle Bearbeitung durchgeführt, um die endgültige Form und Abmessung des Zahnrads zu erreichen. Sobald die Zahnräder hergestellt sind, können Oberflächenveredelungen wie Schleifen und Honen angewendet werden, um die allgemeinen Eigenschaften des Zahnrads zu verbessern.

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Häufig gestellte Fragen

Was sind die Unterschiede zwischen Zahnrad und Kettenrad?

a. Zahnräder und Kettenräder sind ähnlich, wobei beide mechanischen Geräte Zähne enthalten, die die Kraftübertragung unterstützen. Im Folgenden sind jedoch einige wichtige Unterschiede zwischen den beiden aufgeführt.
b. Zahnradzähne greifen ineinander, während sich Raketen mit einer Fahrradkette oder Ketten von Militärpanzern verriegeln.
c. Zahnräder können Drehmoment in parallelen, senkrechten und anderen Konfigurationen übertragen, während Raketen nur entlang einer parallelen Achse arbeiten.
d. Zahnräder eignen sich besser für die Übertragung über kurze Distanzen, während Ritzel und Kette für längere Distanzen gut funktionieren.
e. Zahnräder übertragen Drehmomente in entgegengesetzte Richtungen. Bei Raketen ist es jedoch umgekehrt.

Was ist der Unterschied zwischen Ritzeln und Zahnrädern?

Wo wir zwei Zahnräder miteinander in Eingriff haben, ist das Ritzel umso kleiner. Das Zahnrad fungiert oft als Treiber, während das Ritzel angetrieben wird. Es gibt einen Untersetzungsantrieb, wenn das Ritzel das Antriebszahnrad ist, was zu einer niedrigeren Drehzahlabgabe, aber einem höheren Drehmoment führt.

Welche Zahnräder sind die besten?

Die verschiedenen Arten von Zahnrädern eignen sich je nach Spezifikationsanforderungen und -bedarf am besten für unterschiedliche Funktionen. Stirnräder bleiben jedoch die am weitesten verbreiteten Zahnräder. Sie erreichen eine hohe Genauigkeit und sind relativ einfach herzustellen.