Schrägverzahnungen sind das Beste seit geschnittenem Brot

Ich bin mir nicht sicher, ob „Geschnittenes Gewinde" überhaupt Sinn ergibt. Aber Schrägverzahnungen sind großartig – anzusehen und zu verwenden. Und man findet sie an vielen Orten. Also packen wir es an und erforschen diese geschmeidigen Verbrecher der Ingenieurswelt. Zuerst aber das Offensichtliche:

Was ist ein Schrägverzahnung?

Eine Schrägverzahnung ist einer von vier Haupttypen von Zylinderrädern. Bevor wir also eine Schrägverzahnung definieren, definieren wir zuerst ein zylindrisches Zahnrad. Und das ist einfach: Es ist ein Zahnrad mit einer zylindrischen Teilkreisfläche. Mit anderen Worten, es ist ein Zahnrad, das rund ist. *Schaut sich erstaunt um*

Was denken Sie also, benennt Zylinderräder? Hier ist ein Hinweis: Sagen Sie "Käse".

Das ist richtig. Die Namen von Zylinderrädern beziehen sich hauptsächlich auf die Form ihrer Zähne. Zum Beispiel:

Ein Schrägverzahnung hat Zähne, die schräg zur Getriebeachse angewinkelt sind.

Ein doppeltes Schrägverzahnung (und Pfeilverzahnung) hat zwei Sätze gegenläufiger Schrägzähne. Ein doppeltes Schrägverzahnung hat jedoch typischerweise einen Spalt zwischen ihnen (d.h. "\ /"), während eine Pfeilverzahnung keinen hat (d.h. "V").

Ein Stirnrad hat Zähne, die gerade und parallel zur Getriebeachse sind. Und es gibt zwei Arten: innen (Zähne innen) und außen (Zähne außen).

Ein Schneckenrad sieht etwas anders aus. Es hat eine Welle mit einem Spiralgewinde (die Schnecke), die ein Zahnrad bewegt. Die Zähne der Schnecke sehen also genau wie eine Schraube aus. Stellen Sie sich das vor.

Nun, weil Sie, mein Freund, ein Ingenieur sind – oder zumindest Ingenieurwesen interessant finden – haben Sie eine Frage, die in Ihnen fest verdrahtet ist. Und im Laufe der Jahre bedeutet das, dass Sie wahrscheinlich eine Menge Dinge auseinandergenommen haben. Einige davon fanden ihren Weg nicht wieder zusammen...

Ich bin mir sogar sicher, dass Sie sie gerade jetzt stellen. Also lassen Sie mich sie für Sie beantworten:

Wie funktionieren sie?

Es überrascht nicht, dass jede Art von Zylinderrad etwas anders funktioniert. Also, nur zu. Beißen Sie sich durch. Eins nach dem anderen.

Wie ein Schrägverzahnung funktioniert

Da die Zähne einer Schrägverzahnung angewinkelt sind, greifen sie progressiv ein. All ihre Coolness rührt daher. Zum Beispiel sind sie geschmeidiger. Sie sind leiser. Und sie können eine große Last bewältigen. Aber aufgrund ihres Winkels erzeugen sie auch eine "Seitenkraft" (Axialschub), was bedeutet, dass sie eine helfende Hand vom altbewährten, zuverlässigen benötigen: Axiallager.

Der Schrägungswinkel kann zwischen 5° und 45° liegen, beträgt aber bei Schrägverzahnungen meist zwischen 15° und 30°.

Ein kleinerer Winkel – d.h. es "stirnraderähnlicher" zu machen – verringert die Axialkräfte und somit die Notwendigkeit von Axiallagern. Dies reduziert den Kontakt/die Reibung zwischen den Zähnen, wodurch auch die Wärmeentwicklung und der Verschleiß verringert werden. Es überrascht daher nicht, dass dies die Lastübertragung verbessert und sie effizienter macht.

Wenn Sie den Schrägungswinkel erhöhen, erhöhen Sie die Laufruhe des Getriebes und verringern dessen Geräusch und Vibration. Einer der Hauptvorteile von Schrägverzahnungen ist ihre Belastbarkeit. Und je höher der Winkel, desto mehr Last können sie tragen – dank des erhöhten Zahn-zu-Zahn-Kontakts. 

Schrägverzahnungen werden normalerweise durch ein Verfahren namens "Wälzfräsen" hergestellt. Hier ist ein Video, das Ihnen zeigt, wie. Und wenn Sie sich mit ihrer Mechanik mathematisch auseinandersetzen möchten, lesen Sie dies. 

Wie doppelte Schrägverzahnungen (Pfeilverzahnungen) funktionieren

Im Gegensatz zu einfachen Schrägverzahnungen, die einen Axialschub erzeugen, eliminieren doppelte Schrägverzahnungen diesen. Ihre gegenläufigen Zähne sind so geschnitten, dass sich diese Kräfte gegenseitig aufheben. Keine großen, klobigen Axiallager mehr.

Wissenswertes: Doppelte Schrägverzahnungen wurden von Andre Citroën, dem Gründer von Citroën und des geliebten Citroën 2CV, hergestellt. Das Zahnrad inspirierte sogar das Logo.

Doppelte Schrägverzahnungen, wie ihre einzähnigen Cousins, greifen ebenfalls progressiv ein, um minimale Geräusche und Vibrationen zu gewährleisten. Der Zahnkontakt ist nahezu kontinuierlich, was sie sehr stabil, sehr geschmeidig, sehr schön macht. Und da die Kontaktfläche größer ist, können sie auch mehr Last bewältigen.

Und während dies großartige Vorteile sind, ist der größte offensichtlich. Schauen Sie nur, wie prächtig sie hier aussehen!

Der einzige Nachteil ist jedoch ihre schwierige Herstellung. Sie sind viel schwieriger herzustellen. Daher finden sie sich nur an wirklich anspruchsvollen Stellen – kein spontanes Denken dort…

Wenn Sie zu den 3D-Druckern unter uns gehören, hier erfahren Sie, wie Sie selbst eines herstellen können.

Wie Stirnräder funktionieren

Es gibt keinen Schrägungswinkel. Nur geradlinige Kraftübertragung zwischen geradverzahnten Zähnen.

Stirnräder sind die einfachste Konstruktion und sehen aus wie Ihr stereotypisches Zahnrad. (Suchen Sie auf Google nach "Zahnrad-Symbol", und Sie werden Hunderte davon sehen!).

Doch Einfachheit und Geräusch gehen nicht Hand in Hand. Im Gegensatz zur sanften, zarten Verbindung von Schrägverzahnungen knirschen Stirnräder. Ihr abruptes Ineinandergreifen und ihr Evolventenprofil bedeuten, dass die Zahnräder über einen einzigen Kontaktpunkt viel Stress erfahren. Und das werden Sie hören – besonders bei hohen Geschwindigkeiten.

Ein einziger Kontaktpunkt macht sie jedoch effizient. Es gibt nur sehr geringe Gleitreibung zwischen den Zähnen oder seitliche Kräfte, die auf tragende Teile ausgeübt werden. Stirnräder sind also tatsächlich die effizientesten aller Zylinderräder.

Wie Schneckenräder funktionieren

Die letzten unserer Zylinderräder sind die gewundenen Schneckenräder. Sie bestehen aus zwei Komponenten: dem Schneckenrad (ein bisschen wie eine Schraube) und dem Schneckenrad (seinem Gegenstück mit Schrägverzahnung). Das Besondere daran sind zwei Dinge:

1) Sie übertragen die Bewegung um bis zu 90 Grad. Mit anderen Worten, Sie können senkrechte Wellen verbinden (im Gegensatz zu parallelen wie bei anderen Zylinderrädern). Wenn sich das Schneckenrad dreht, drücken die Gewinde gegen das Schneckenrad, wodurch es sich in senkrechter Richtung dreht. Das ist großartig, wenn Sie einen kleinen Wurm in kleinen Räumen herumwuseln lassen wollen – einen Raum, der zu klein für parallele Wellen ist.

2) Schneckengetriebe haben auch große Untersetzungsverhältnisse (besonders auf kleinem Raum). Zum Beispiel kann eine vollständige Drehung der Schnecke nur zu 1/30 einer Umdrehung des Schneckenrades führen.

Da es gleitend und im Wesentlichen progressiv ist, ist es leise und geschmeidig wie die anderen Schrägverzahnungen. Der Gleitkontakt zwischen Schnecke und Rad erzeugt jedoch viel Reibung, wodurch es sehr heiß wird und für schwere Lasten ungeeignet ist. Wie zu erwarten, sind Schmierung und Kühlung daher sehr wichtig.

Um eines in Aktion zu sehen, sehen Sie sich dies an.

Vergleich von Zylinderrädern

Die nächste Frage, die Ihnen vielleicht in den Sinn kommt, ist: Welches ist das Beste? Und wie immer hängt die Antwort davon ab. Um Sie davor zu bewahren, Ihre Zahnräder zu malmen, hier ist eine Tabelle, die die verschiedenen Arten von Zylinderrädern vergleicht:

Zahnradtyp	Zähne	Wichtige Vorteile	Wichtige Nachteile
Schrägverzahnung	Einfach, diagonal	-       Geschmeidig -       Leise -       Hohe Belastbarkeit	-       Erzeugt Axiallast (benötigt Axiallager zur Unterstützung)
Doppelhelix (Fischgrät)	Doppelt, entgegengesetzt diagonal	-       Keine Axialkraft -       Gleichmäßiger -       Leiser -       Noch höhere Belastbarkeit	-       Komplexer Aufbau -       Aufwendig in der Herstellung
Stirnrad	Gerade, parallel zur Getriebeachse	-       Sehr effizient -       Einfacher Aufbau -       Kostengünstig in der Herstellung -       Keine Axialkräfte	-       Laut, besonders bei hohen Geschwindigkeiten -       Begrenzte Belastbarkeit
Schneckengetriebe	Schraube/diagonal	-       Ruhiger Lauf -       Platzsparend -       Hohe Untersetzung	-       Geringster Wirkungsgrad -       Hohe Reibung (und Hitze!)

 

Wo werden sie eingesetzt?

Das „beste“ zylindrische Zahnrad hängt also von der Anwendung und den jeweiligen Einschränkungen ab. Offensichtlich. Um ein klareres Bild davon zu zeichnen, wo welches Getriebe dominiert, hier einige typische Anwendungen:

Anwendungen von Schrägstirnrädern

Ihre Einsatzbereiche ergeben sich aus ihren Vorteilen. So finden sich Schrägstirnräder in Anwendungen, die einen reibungslosen, leisen Gang erfordern und bei Lasten und Geschwindigkeiten keine Schwierigkeiten bereiten. Man findet sie häufig in …

Getrieben. Fahrzeuggetriebe erfordern einen reibungslosen, leisen Betrieb und hohe Drehzahlen. Denn das einzige Mal, dass man sein Getriebe hören möchte, ist, wenn man es zum Einschlafen benutzt.

Fertigung. Kompressoren, Förderbänder und Walzwerke erfordern Robustheit. Diese schweren Lasten benötigen Stabilität. Und Stabilität liegt in schrägen Zähnen ... 

Kraftwerken. Turbinen und Generatoren verwenden oft Schrägstirnräder für ihre effiziente (und belastbare) Kraftübertragung. Normalerweise bedeutet die Erzeugung von Megawatt auch einen Mega-Wärmeübertrag. Aber das reibungslose Eingreifen der Schrägzähne minimiert dies.

Anwendungen von Doppel-Schrägstirnrädern

Doppelter Ärger. Oder... äh... doppelter Genuss? Die Schwierigkeit bei der Herstellung von Doppel-Schrägstirnrädern wird oft durch die Eliminierung der Axialbelastung und die überlegene Belastbarkeit aufgewogen. Daher findet man sie möglicherweise in:

Kraftwerken. Wie ihre einfacheren, einzähnigen Geschwister werden auch in Turbinen und Generatoren häufig Doppelschrägstirnräder eingesetzt. Bei der Menge an Energie, die manche erzeugen, will man keine kaputten Zähne in seinem Energie-Sandwich haben.

Schiffsmotoren. Wenn Sie unseren Artikel über Motorkolben gelesen haben, erinnern Sie sich vielleicht an den Wärtsilä RT-flex96C – den größten Hubkolbenmotor der Welt. Wie zu erwarten, erzeugt er viel Leistung (seine 14-Zylinder-Variante erzeugt ganze 108.920 PS!). Man braucht also ein Getriebe, das diese Leistung bewältigen kann, ohne ein kleines Erdbeben zu verursachen.

Offshore-Plattformen. Schwere Bohrungen auf See erfordern viel Leistung und den Einsatz schwerer Maschinen. Doppelschrägstirnräder sind hier sehr gefragt.

Anwendungen von Stirnrädern

Stirnräder bieten große Untersetzungs-(oder Übersetzungs-)Verhältnisse, wenn sie in Reihe geschaltet werden. Sie sind auch kostengünstig herzustellen. Im Vergleich zu Schrägstirnrädern bieten sie jedoch nicht die gleiche Belastbarkeit, weshalb sie in Anwendungen eingesetzt werden, in denen sie... vielleicht... nicht sollten.

Um ihr Zuhause – und Ihre Ohren – zu schützen, hier einige Orte, an denen Sie Stirnräder finden könnten:

Waschmaschinen. Meine ist alt und ziemlich laut. Sie trägt auch nicht die Lasten eines Kraftwerks. Daher passt ein Stirnrad genau hinein.

Uhren. Die Uhrmacherei ist ein filigranes Geschäft mit geringer Belastung. Daher ist ein Bauteil mit einfachem Design herzlich willkommen.

Fahrräder. Wenn Sie das nächste Mal zur Arbeit fahren, schauen Sie nach unten. „Oh, schau, ein Stirnrad...“

Flugzeug-APUs. Lärm begrenzt im Allgemeinen ihren Einsatz in Autos. Aber nicht in Flugzeugen. Ihre hohe Zuverlässigkeit und vergleichsweise geringe Belastung machen Stirnräder ideal für APUs.

Anwendungen von Schneckengetrieben

Wiggle wiggle. Ihre Drehzahlreduzierung, Drehmomentvervielfachung und die Fähigkeit, Bewegungen in kleinen Räumen um bis zu 90 Grad zu übertragen, machen Schneckengetriebe in spezifischen Anwendungen nützlich. Also, dieser kleine Wurm ging zum Markt... sorry, falsches Lied.

Gitarren. Ihre Fähigkeit, feine Einstellungen zu ermöglichen, macht sie hervorragend zum Stimmen. Sie werden auch in anderen Saiteninstrumenten verwendet.

Aufzüge. Schneckengetriebe eignen sich hervorragend zum Anhalten und Halten von Lasten. Es gibt nichts Schlimmeres, als aus einem fahrenden Aufzug auszusteigen.

Sicherheitstore. Wie ich laufen einige Schneckengetriebe nicht rückwärts (tatsächlich laufe ich überhaupt nicht). Je nach ihrem Steigungswinkel kann das Rad also die Schnecke nicht antreiben. Sicherheitstore verwenden typischerweise zwei separate Schneckengetriebe – eines für jede Bewegung. Sobald man durch ist, gibt es kein Zurück mehr.

Noch besser als geschnittenes Brot

Es mag nicht tragend sein, wurde aber entwickelt, um Ihre „Finger-Zahnräder“ in Bewegung zu halten. Das MetMo-Team hat Helico entwickelt: das weltweit erste Helical-Gear-Fidget-Toy. Und es ist wahrlich eine Handvoll. An Drehmoment. Und Spaß.