Das einseitige Hin- und Herbewegen um Schneckengetriebe

Der heutige Artikel befasst sich mit Schneckengetrieben. Diese cleveren kleinen Schrauben- und Rad-Partnerschaften bewegen die Welt seit über zweitaaausend Jahren. Ja, mit drei Nullen.

Schneckengetriebe oder auch Schneckenantriebe sind die unbesungenen Helden vieler schwerer Lasten, filigraner Einstellungen und cleverer technischer Lösungen. Wir werden uns also in ein Schneckenloch winden und erfahren, wie sie funktionieren, wer sie erfunden hat, welche verschiedenen Typen es gibt, wo man sie wahrscheinlich findet und all die anderen erdbewegenden Vorzüge. Helme auf. Graben wir uns rein.

Was ist ein Schneckengetriebe?

Wir alle lieben Geschwindigkeit. Du. Ich. Jeder. Es ist in uns verankert. Aber ab und zu lohnt es sich, daran zu denken, dass auch das Verlangsamen seine Vorteile hat … weißt du, wie das frühzeitige Erfassen des Drehmoments … oder … ähm … so etwas in der Art …

Wie auch immer.

Ein Schneckengetriebe besteht aus zwei Teilen:

-       Die Schnecke – eine schraubenförmige Welle mit Gewinde

-       Das Rad – ein Zahnrad, das mit der Schnecke kämmt

Wenn sich die Schnecke dreht, drücken ihre Gewinde gegen die Zähne des Rades und bringen es zum Drehen. Das Geniale ist jedoch, dass sich das Rad bei jeder vollen Umdrehung (zumindest bei einer eingängigen Schnecke) nur um einen Zahn weiterbewegt. Dies ermöglicht riesige Untersetzungen und enorme Drehmomentvervielfachungen.

Was noch cooler ist: Die Anordnung ist fast immer so gewählt, dass die Achse der Schnecke im 90°-Winkel zur Achse des Rades steht. Dieser rechtwinklige Richtungswechsel, kombiniert mit einer großen Drehmomenterhöhung, macht Schneckengetriebe zu einer sehr beliebten Wahl für Anwendungen mit begrenztem Platzangebot.

Wer hat es zuerst gemacht?

Die Ehre gebührt meist Archimedes, um 250 v. Chr. Die alten Griechen hatten bereits Getriebe für Dinge wie das Heben von Lasten gemeistert. Aber Archimedes soll das Konzept einer Schraube, die ein Zahnrad antreibt, formalisiert haben (hoffentlich nach vielen Würmern der Ermutigung...).

Von da an tauchten sie in allen möglichen antiken Mechanismen auf – von Rudern an Segelschiffen bis hin zu frühen Windenkonstruktionen. In der Industriellen Revolution wurden Schneckengetriebe zu festen Bestandteilen (nicht wörtlich) in Maschinen, Fertigungsanlagen und Hebevorrichtungen.

Und die Gründe für ihre Wahl haben sich kaum geändert: Sie sind kompakt, stark und können ohne zusätzliche Bremsen arretieren.

„Wie?“, fragst du. Das verrate ich dir.

Wie funktioniert das Schneckengetriebe?

Es ist ziemlich einfach. Es gibt ein paar Schritte:

1. Die Schnecke dreht sich (angetrieben von einem Motor, einer Kurbel oder einer anderen Eingabe). Diese wird normalerweise so gehalten, dass sie sich drehen, aber nicht axial bewegen kann. Logisch.
2. Ihre Gewinde greifen in die Zähne des Schneckenrads, schieben sie vorwärts und bringen das Rad zum Drehen. Die Zähne und die Schnecke sind so konstruiert, dass sie perfekt zum Schraubenprofil der Schnecke passen.
3. Das Schneckenrad dreht sich, normalerweise mit einer viel geringeren Geschwindigkeit, aber mit viel mehr Drehmoment als die Schnecke.

Denk daran: große Kraft, kleine Bewegung.

Nun, es gibt auch noch andere Eigenschaften von Schneckengetrieben, die Sie vielleicht besser verstehen möchten. Winden und lernen.

Untersetzungen

Die Anzahl der durchgehenden Gewindegänge, die sich um die Schnecke winden, wird als „Anzahl der Gänge“ bezeichnet. Eine volle Umdrehung der Schnecke bewegt also nur einen Zahn des Rades. Eine zweigängige Schnecke würde bedeuten, dass sich das Rad für jede Umdrehung der Schnecke um zwei Zähne bewegt. Und so weiter.

Der gesunde Menschenverstand sagt uns, dass, wenn das Rad 60 Zähne hat und wir eine eingängige Schnecke verwenden, wir 60 volle Umdrehungen der Schnecke benötigen würden, um das Rad einmal zu drehen. Das ist eine Untersetzung von 60:1. Der gesunde Menschenverstand hat Recht.

Mehr „Gänge“ würden zu einer geringeren Reduktion und schnelleren Geschwindigkeit führen. Oder, wenn Sie mehr Zähne an Ihrem Rad hätten, würden Sie die Reduktion erhöhen (100:1 ist machbar!)

Selbsthemmung

Viele Schneckengetriebe können nicht rückwärts angetrieben werden. Mit anderen Worten, die Kraft kann nur in eine Richtung übertragen werden – das Rad kann die Schnecke nicht zum Drehen bringen. Dies liegt an der Steigungsgeometrie und der hohen Reibung zwischen ihren Gleitflächen.

Da die Schneckengewinde eine sehr geringe Steigung haben, erzeugt die Gleitbewegung zu viel Widerstand, als dass das Rad die Schnecke rückwärts schieben könnte. Eingängige Schnecken – mit ihren kleineren Steigungswinkeln – sind am ehesten selbsthemmend. Mehrgängige Schnecken haben jedoch größere Steigungswinkel und können bei Bedarf reversibel sein.

Ihre nicht-umkehrende Wirkung wird auf zwei verschiedene Arten genutzt. Es gibt die statische Selbsthemmung, bei der sich das Getriebe einfach nicht bewegt, wenn der Motor stoppt (ideal zur Vermeidung von Zehenbrüchen), und die dynamische Selbsthemmung, bei der das Getriebe beim Abschalten der Bewegung von selbst verlangsamt und stoppt.

Natürlich ist es nicht völlig narrensicher. Materialien, Schmierung und Geschwindigkeit beeinflussen, wie selbsthemmend das Getriebe sein wird. Zum Beispiel hat Eisen gepaart mit Phosphorbronze weniger Reibung, sodass die Selbsthemmung weniger hemmend ist. Oder wenn Ihr Getriebe dynamisch selbsthemmend ist, ist Ihre Reibung geringer (weil es dynamische Reibung ist), so dass Vibrationen oder Stoßbelastungen die Hemmung durchbrechen können.

Arten von Schneckengetrieben

Es gibt verschiedene Typen, die alle auf ähnliche Weise funktionieren.

Zylindrische Schneckengetriebe

Dies ist der gängigste Typ. Der Starterwurm. Sie verfügen über eine gerade, zylindrische Schnecke, die mit einem passenden Schneckenrad kämmt. Sie sind relativ einfach herzustellen, was die Kosten senkt. Daher werden sie häufig eingesetzt, insbesondere für Anwendungen, die ein hohes Drehmoment und einen geringen Platzbedarf erfordern.

Globoid-Schneckengetriebe

Bei einem globoiden Design ist die Schnecke wie ein Bogen geformt, der das Schneckenrad teilweise umschließt. Dies erhöht die Kontaktfläche zwischen Schnecke und Rad, wodurch das Getriebe ein höheres Drehmoment übertragen und höhere Lasten bewältigen kann. Der Nachteil ist jedoch, dass sie komplexer und teurer in der Herstellung sind.

Zweigängige (Duplex-)Schneckengetriebe

Diese weisen unterschiedliche Steigungen an ihren linken und rechten Zahnflanken auf, wodurch die Zahndicke entlang der Schneckenlänge variiert. Durch axiales Verschieben der Schnecke kann das Zahnflankenspiel – der geringe Abstand zwischen den kämmenden Zähnen – fein eingestellt werden. Dies macht Duplex-Ausführungen ideal für hochpräzise Anwendungen. Aber auch hier sind sie etwas kostspielig.

Woraus bestehen sie?

Die Materialwahl ist entscheidend. Diese Schnecken und ihre gezahnten Komplizen führen ein hartes Leben. Ein Leben voller endloser Gleitreibung. Einerseits ist Reibung notwendig – ohne sie würden sie nicht funktionieren. Andererseits ist es irgendwie traurig. Armer kleiner Wurm. Obwohl es für das Rad wahrscheinlich schlimmer ist…

Sehen Sie, die Räder sind im Allgemeinen so konstruiert, dass sie die Opferelemente der beiden sind. In der klassischen Kombination aus Stahlschnecke (robust, verschleißfest und teuer in der Bearbeitung) und Messingrad verschleißt das Rad und schützt die teurere Schnecke. Was für eine Freundschaft!

Natürlich sind dies nicht die einzigen Paarungen; man wird immer noch Stahl-auf-Stahl-Aktionen sehen. Dies ist ein super starkes Getriebe, und wenn eine Komponente ausfällt, ruiniert es im Allgemeinen die andere. Wie zu erwarten, ist es ziemlich teuer, es zu ersetzen, wenn etwas schiefgeht.

Man findet auch Kunststoff auf Metall (in leichten Robotern) und Kunststoff auf Kunststoff in einigen Anwendungen mit geringer Last.

Die Reibungssucht

Angesichts des hohen Reibungseinsatzes ist Schmierung wichtig. Da das Schneckengetriebe über den Zahn des Rades gleitet, reibt es das Schmiermittel langsam ab. Wenn man es richtig macht, sollte die Schnecke vor dem nächsten Durchlauf mehr Schmiermittel aufnehmen – und beide Teile schützen. Aber es ist nicht einfach.

Sehr hochviskose Öle (ISO 320-1000) oder spezielle Synthetika sind ideale Optionen, um ein Berühren von Schnecke und Rad zu verhindern (sie können etwas aufbrausend werden, wenn sie sich zu nahe kommen) und den ständigen Gleitkontakt zu bewältigen.

Ohne sie würden sie ziemlich heiß laufen und schneller verschleißen, als man auf ihre Schreie reagieren kann. Vorsicht beim Schrauben.

Einen brillanten Artikel zur Schmierung von Schneckengetrieben finden Sie hier.

Vorteile von Schneckengetrieben

Zeit, dass sich Ihr Wurm lohnt.

GROSSE Geschwindigkeitsreduzierungen

Einer ihrer herausragenden Vorteile ist ihre Fähigkeit, eine enorme Geschwindigkeitsreduzierung in einer einzigen Stufe zu erreichen. Während die meisten Getriebesysteme mehrere Getriebestufen benötigen würden, um Übersetzungen von 100:1 oder höher zu erreichen, kann ein Schneckengetriebe dies in einem Zug bewältigen. Für Herrn Wurm sind keine Zahnradzüge erforderlich.

GRÖSSERER Drehmomentabgabe

Diese Reduzierung bedeutet, dass sie auch enorme Drehmomente liefern. Da jede Umdrehung der Schnecke das Rad nur minimal bewegt, ist der mechanische Vorteil enorm. Dies macht sie ideal für schwere Hebearbeiten, Klemmen und das Halten von Lasten.

Sie sind selbsthemmend

Bei vielen Konstruktionen kann die Schnecke das Rad drehen, das Rad jedoch nicht die Schnecke. Das bedeutet, dass das Getriebe beim Abschalten des Stroms seine Position hält und wie eine eingebaute Bremse wirkt. Bei Anwendungen, bei denen keine Bewegung erwünscht ist, wenn das System ausgeschaltet ist (z. B. bei Aufzügen und Winden), ist dies ein besonders wertvolles Sicherheitsmerkmal.

Kompaktes Design

Ihr kleines Design ist ebenfalls ein großer Pluspunkt. Da Schneckengetriebe eine hohe Untersetzung mit einer 90-Grad-Richtungsänderung kombinieren, bieten sie im Vergleich zu ihren geradverzahnten oder schrägverzahnten Pendants viel Leistung auf kleinem Raum. Schneckengetriebe, treffen Sie auf platzbeschränkte Anwendungen.

Leiser Betrieb

Unsere kleinen Würmchen-Getriebe sind auch für ihren sanften und leisen Betrieb bekannt. Im Gegensatz zu Stirnrädern, die wie die alten Zähne meiner Oma klappern, erzeugt der Gleitkontakt zwischen Schnecke und Rad deutlich weniger Vibrationen und Geräusche.

Nachteile von Schneckengetrieben

Sie sind niedlich. Aber sie sind nicht perfekt. Ihre nicht so guten Eigenschaften sehen so aus…

Geringer Wirkungsgrad

Der offensichtlichste Nachteil von Schneckengetrieben ist ihr geringer Wirkungsgrad im Vergleich zu anderen Getriebetypen. Da die Kraftübertragung durch Gleiten (im Gegensatz zum Rollkontakt) erfolgt, sind die Reibungsverluste hoch, insbesondere bei selbsthemmenden Konstruktionen.

Wärmeentwicklung

Die verlorene Energie verwandelt sich in Wärme (und gebrochene Zähne), die kontrolliert werden muss, damit das Getriebe zuverlässig funktioniert. Ohne ausreichende Schmierung oder Kühlung beschleunigt die Wärmeentwicklung den Verschleiß – und den Ausfall. Eine weitere Wurmung.

Schwierige Schmierung

Wir haben dies bereits angesprochen. Aber Schmierung ist bei Schneckengetrieben unerlässlich. Es ist nur ziemlich schwierig. Um eine seltsame Form von Wurmageddon zu vermeiden, verwenden die Leute hochviskose Schmierstoffe (normalerweise ISO 460 oder 680), um die Komponenten voneinander fernzuhalten... aber diese können schwieriger zu filtern und zu pumpen sein.

Verschleiß am Opferrad

Es wird in der Regel aus Notwendigkeit getan, aber man muss sich trotzdem damit auseinandersetzen. Bei der klassischen Stahl-Schnecke/Messing-Rad-Paarung wird das Messingrad bewusst verwendet, weil es weicher ist – um die Stahlschnecke zu schützen. Das Rad muss also ersetzt werden. Es ist leider ein akzeptierter, aber unvermeidbarer Wartungsaufwand.

Herstellungskosten

Zuletzt die Kosten. Sie benötigen nicht nur spezielle Schmiermittel und eine Pumpe, Schneckengetriebe können auch teuer in der Herstellung sein. Sie benötigen eine Präzisionsbearbeitung, um den Verlust von Zähnen wie Haare zu vermeiden – und eine ordnungsgemäße Verzahnung zu gewährleisten. Bei komplexeren Formen, wie Globoidschnecken, benötigen Sie natürlich eine noch präzisere Bearbeitung.

Wie vergleichen sie sich mit Stirnrädern und Schrägverzahnungen?

Nun, ich weiß, einige von Ihnen denken vielleicht an Vergleiche. Hier sind sie also in Tabellenform. Schön einfach. Die Zahlen sind natürlich Richtwerte. (Oh, und erfahren Sie hier mehr über Schrägverzahnungen)

Merkmal	Schneckengetriebe	Stirnrad	Schrägverzahnung	Pfeilverzahnung
Zähne	Schraubenartiges Gewinde	Gerade (parallel zur Achse)	Einzelne Diagonale	Doppelte, entgegengesetzte Diagonale
Untersetzungsverhältnis	Sehr hoch (bis zu 100:1 in einer Stufe)	Mäßig (1-10:1 pro Stufe)	Mäßig bis hoch (bis zu ~20:1 pro Stufe)	Mäßig (ähnlich wie bei Schrägverzahnung)
Drehmomentabgabe	Sehr hoch	Gut, aber pro Stufe begrenzt	Höher als Stirnradgetriebe (mehr Zahnkontakt)	Hoch
Wirkungsgrad	Niedrig(er)	Sehr hoch	Hoch	Hoch
Geräuschentwicklung	Niedrig	Hoch	Mittel	Niedrig
Selbsthemmend	Ja	Nein	Nein	Nein
Lastaufnahme	Hervorragend für hohe Lasten	Gut für mäßige Lasten	Hervorragend für hohe Lasten	Hervorragend für sehr hohe Lasten
Komplexität/Kosten	Erfordert präzise Bearbeitung	Einfach und kostengünstig herzustellen	Etwas komplexer, höhere Kosten	Am komplexesten und teuersten

 

Raus aus der Dose und rein in die Welt

Hohes Drehmoment, Kompaktheit und Selbsthemmung sind die Ziele. Schneckengetriebe sind das A und O. Einige typische Anwendungen von Schneckengetrieben sind:

Aufzüge und Hebevorrichtungen: Dies ist wahrscheinlich ihre bekannteste Anwendung. Schneckengetriebe verhindern dank ihrer Selbsthemmung, dass Kabinen herunterfallen, wenn der Motor stoppt. Ohne Schneckengetriebe gäbe es nur einen Weg nach unten …

Stimmwirbel: Sie halten die Saiten von Instrumenten wie Gitarren, Geigen und Celli in Stimmung. Ihr größter Vorteil ist ihre Präzision. Kleine Bewegungen des Wirbels führen zu feinen Einstellungen der Saitenspannung – und auch hier verhindert die Selbsthemmung, dass sie sich wieder verstimmen.

Automobillenkung: Ja, auch Autos verwenden Schneckengetriebe. Ältere zumindest. Sie werden verwendet, um die Drehbewegung (von Ihnen am Lenkrad) in kontrollierte Bewegungen des Lenkgestänges umzuwandeln. Die Drehmomentübersetzung hilft Ihnen, schwere Vorderräder zu drehen, ohne übermenschliche Kraft zu benötigen.

Industrielle Förderanlagen: Förderanlagen sind oft auf Schneckenantriebe angewiesen, um eine kontrollierte, kraftvolle Bewegung zu liefern. Da sie hohe Lasten bewältigen können und eine präzise Drehzahlreduzierung bieten, eignen sie sich perfekt, um Produkte in einem geordneten Fluss zu transportieren.

Schiffsruder: Seit Jahrhunderten helfen unsere windigen Getriebe beim Steuern von Schiffen  – starke Unterströmungen haben keine Chance gegen die allmächtige Schnecke. Sie halten die Position des Ruders bei starken Kräften, sodass Sie nicht vom Meer mitgeschleppt werden.

Hebezeuge und Winden: Wie bei Aufzügen halten Schneckengetriebe schwere Lasten sicher, ohne dass eine zusätzliche Bremse benötigt wird. Sie beherbergen riesige Drehmomente auf engstem Raum. Sie sind vielleicht die einzige Schnecke, die unter Druck nicht zappelt.

Elektrowerkzeuge: Kreissägen, Bohrmaschinen und Schleifmaschinen verwenden Schneckenantriebe, weil sie es ermöglichen, Hochgeschwindigkeitsmotoren in nutzbares Drehmoment umzuwandeln – und dabei nicht viel Platz einzunehmen.

Medizinische Geräte und Robotik: Schneckengetriebe zeichnen sich hier durch ihre Präzision, Kompaktheit und Haltekraft aus. Sie müssen manchmal millimetergenaue Bewegungen ausführen und dürfen während der Arbeit nicht verrutschen. Kein Problem, alte Schnecke.

In die Zukunft kriechen

Das Schneckengetriebe ist der Beweis, dass man nicht schnell sein muss, um eine große Wirkung zu erzielen. Indem Schneckenantriebe Geschwindigkeit gegen Drehmoment eintauschen und eine integrierte Sicherheitsbremse durch Selbsthemmung hinzufügen, sind sie zu einem mechanischen Grundpfeiler geworden – vom Meer über Einkaufszentren bis hin zu Gitarren.

Sie können zwar von Zeit zu Zeit heiß laufen (wer nicht, oder?), und ihre Räder abnutzen, wenn sie nicht gepflegt werden… aber wenn Sie kompakte, leise, zuverlässige Leistung benötigen, verdient das Schneckengetriebe seinen Platz zu Recht.

Wenn Sie also das nächste Mal in einem Aufzug fahren (ohne eine unserer Kreationen in den Händen), denken Sie daran, dass irgendwo darin eine kleine Schraube und ein Rad die schwere Arbeit leisten.

Apropos MetMo-Kreationen, haben Sie diese schon gesehen?

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Vielen Dank fürs Lesen. Hoffentlich wissen Sie jetzt mehr über Schneckengetriebe als zuvor! Diskutieren Sie mit uns im MetMo Subreddit und im CubeClub Forum. Wir würden uns freuen, über alles rund um Getriebe zu plaudern – oder was auch immer Ihr Herz begehrt.