Arten von Getrieben: Ein Leitfaden zu verschiedenen mechanischen Getrieben

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

Häufig bilden mehrere Zahnräder komplexe Maschinen, doch das ist nicht immer der Fall. Zahnräder gibt es beispielsweise in einfachen Maschinen wie Uhren, wo sie die Geschwindigkeit des Uhrzeigers regulieren. In diesem Artikel besprechen wir verschiedene mechanische Getriebe und ihre Anwendungen. Lesen wir weiter.

Was sind Zahnräder?

Zahnräder sind rotierende mechanische Vorrichtungen mit Zähnen, die eine Drehmoment- und Geschwindigkeitsübertragung ermöglichen. Mechanische Zahnräder sind oft zylindrisch und mit Zähnen rund um den Körper versehen. Wenn zwei oder mehr Gänge synchron arbeiten, handelt es sich um eine Übersetzung. Die Kraftübertragung führt zu einer Drehzahl- bzw. Drehmomentänderung.

Vorteile von Zahnrädern

• Zahnräder sind mechanisch stark. Daher können sie höhere Lasten heben.
• Mithilfe eines Getriebes ermöglichen sie 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, weshalb der Wartung kaum Aufmerksamkeit gewidmet wird.
• Sie sind sehr langlebig, sodass das Getriebesystem lange hält.

Nachteile von Zahnrädern

• Zahnräder eignen sich nicht zur Bewegungsübertragung über große Entfernungen.
• Sie sind nicht flexibel.
• Besonders bei hohen Geschwindigkeiten sind die Gänge laut.
• Bei weit entfernten Schächten sind sie nicht geeignet.

Verschiedene Arten von Zahnrädern und ihre Anwendungen

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

Stirnradgetriebe

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

Helical Gear

Bei Schrägverzahnungen sind die Zähne im Gegensatz zu parallelen Stirnrädern in einem Winkel zur Welle angeordnet. Während der Übertragung berühren sich mehrere Zähne. Infolge, schrägverzahnte mechanische Zahnräder kann größere Lasten tragen. Außerdem arbeiten sie mit weniger Lärm und Vibrationen, da die Lasten besser verteilt werden. Darüber hinaus unterliegen sie aufgrund der geringeren Reibung einem geringeren Verschleiß. Im Folgenden werden verschiedene Arten von Schrägverzahnungen gezeigt.

Einfaches oder doppeltes Schrägstirnradgetriebe

Einzelschrägverzahnungen haben Zähne entweder in der Linksschrägung oder in der Rechtsschrägung. Allerdings haben die Doppelschrägverzahnungen Zähne in beide Richtungen. Bei Doppelschrägverzahnungen liegen zwei Schrägstirnflächen nebeneinander mit einem Zwischenraum dazwischen. Die Flächen sind identisch, haben jedoch entgegengesetzte Spiralwinkel. Durch die Verwendung eines Doppelschrägverzahnungsgetriebes wird eine größere Zahnüberlappung gewährleistet, was zu einer sanfteren Übertragung führt.

Fischgräten-Ausrüstung

Dieser Satz ähnelt ziemlich dem Doppelstirnradgetriebe. Sie sind jedoch kleiner und haben keinen Abstand zwischen den beiden Spiralflächen. Bei Fischgrätenzahnrädern sind die beiden Schrägverzahnungen Seite an Seite verbunden. Aufgrund der hohen Produktionskosten und Herstellungsschwierigkeiten sind sie nicht so verbreitet, obwohl sie besser für Vibrations- und Stoßanwendungen geeignet sind.

Schraubengetriebe

Schraubengetriebe sind ein Paar Schrägverzahnungen, die in einem Verdrehungswinkel von 45 Grad arbeiten. Sie treten auf nicht parallelen und sich nicht schneidenden Wellen auf. Aufgrund des Einzelzahnkontakts verfügen sie über eine geringe Tragfähigkeit. Daher sind diese Getriebe nicht ideal für die Übertragung großer Kräfte.

Anwendungen von Schrägverzahnungen

• Wasserpumpen
• Mischer
• Automobiles

Kegelradgetriebe

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

Gerade Kegelräder

Gerade Kegelräder sind die gebräuchlichsten Konfigurationen der Kegelradzähne. Der Grund dafür ist die Einfachheit des Designs und die einfache Herstellung. Gerade Kegelzähne greifen auf einmal ineinander und nicht nach und nach, wenn sie richtig aufeinander abgestimmt sind. Die Teilfläche der geraden Kegelradtypen ist konisch mit geraden Zähnen, die sich zur Spitze hin verjüngen.

Spiralkegelräder

Mechanische Spiralkegelräder haben gekrümmte Zahnlinien und ein besseres Zahnkontaktverhältnis als gerade Kegelräder. Daher sind sie hinsichtlich Effizienz und Festigkeit überlegen und erzeugen weniger Vibrationen und Lärm. Allerdings weisen sie Herstellungsschwierigkeiten auf.

Zerol® Kegelräder

Zerol®-Kegelräder sind eine eingetragene Marke von Gleason Co. Das Zahnrad übernimmt Merkmale sowohl von geraden als auch von spiralförmigen Kegelrädern mit Kurvenzähnen. Daher ist das Getriebe für beide Anwendungen geeignet. Allerdings haben sie keinen Verdrehungswinkel und daher können sich die Zähne in beide Richtungen drehen.

Gehrungsräder

Kegelräder sind eine Sonderform der Kegelräder, da sie über die gleiche Zähnezahl verfügen. Ihre Wellen sind im 90-Grad-Winkel zueinander positioniert und diese Zahnräder verändern die Kraftübertragung, ohne die Geschwindigkeit zu beeinflussen. Das Besondere an Kegelrädern ist, dass sie ein Übersetzungsverhältnis von 1 haben. Im Gegensatz dazu können andere Kegelräder Übersetzungen von 10:1 bis 500:1 haben.

Kronenräder

Bei Kronenrädern, die manchmal auch Stirnräder genannt werden, stehen die Zähne ebenfalls im rechten Winkel zur Stirnfläche des Rads. Sie haben einen Pitchkegel von 90 Grad. In der Industrie kämmen Kronenräder mit anderen Kegelrädern oder Stirnrädern in einer kreisförmigen Bewegung.

Hypoid-Zahnräder

Hypoidgetriebe ähneln Spiralkegelrädern, funktionieren aber in sich nicht schneidenden Wellen. Sie arbeiten im 90-Grad-Winkel und sind in der Automobilbranche weit verbreitet. Sie sehen diese Zahnräder an Fahrzeugachsen. 

Anwendungen von Kegelrädern

• Mischer
• Bewässerungssysteme
• Brecher

Schneckengetriebe

Das Schneckengetriebe besteht aus einem schraubenförmigen Einschnitt auf der Welle (Schnecke) und dem Gegenrad (Schneckenrad). Dieser Getriebetyp überträgt die Kraft in sich nicht kreuzenden Wellen, die einen rechten Winkel bilden. Die Getriebetypen funktionieren durch einen Gleitkontakt mit weniger Reibung, sondern durch eine sanfte und leise Drehung. Daher sind sie für Anwendungen mit hohen Stößen geeignet. Allerdings weisen sie einen geringen Wirkungsgrad auf, was ihren Einsatz auf Anwendungen mit geringem Stromverbrauch beschränkt.

Anwendungen von Schneckengetrieben

• Landmaschinen
• Kleine Förderer
• Verpackungsausrüstung

Zahnstange und Ritzel

Zahnstangengetriebe kommen häufig paarweise vor. Sie bestehen aus zwei kreisförmigen Zahnrädern: Das Ritzel greift in ein Lineargetriebe – die Zahnstange – ein. Sie übersetzen rotatorische Bewegungen in lineare Bewegungen. Diese Zahnräder sind im Lenksystem von Automobilen üblich. Zahnstangengetriebesysteme können entweder gerade oder schrägverzahnte Zahnräder verwenden. Die Hauptanwendung von Zahnstangengetrieben liegt in der Automobillenkung.

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Eine kurze Tabelle verschiedener Arten mechanischer Getriebe

Grundparameter für die Getriebekonstruktion

Im Folgenden besprechen wir grundlegende Getriebeparameter, die sich auf die Getriebekonstruktionen auswirken.

Zahnradform

Die meisten Zahnräder sind kreisförmig, wobei die Zähne um den zylindrischen Körper herum ausgerichtet sind. Sie kommen jedoch auch in konischer, elliptischer, quadratischer und dreieckiger Form vor. Kreisgetriebesysteme haben ein konstantes Übersetzungsverhältnis für Drehzahl und Drehmoment. Daher erzeugt ein ähnlicher Eingang die gleiche Drehzahl und den gleichen Drehmomentausgang. Das Gegenteil ist bei unrunden Zahnradtypen der Fall. Folglich können sie spezielle Anforderungen an unregelmäßige Bewegungen ausführen, wie z. B. Geschwindigkeitsänderungen und Rückwärtsbewegungen.

Modul

Modul bezieht sich auf die Größe eines Zahnradzahns in Millimetern. Daher steht das Modul in direktem Zusammenhang mit der Größe der Zahnradzähne. Dies ist ein wichtiger Parameter, auf den man beim Getriebe achten sollte. Der Modul ist der Wert, der sich aus der Division des Teilkreisdurchmessers durch die Anzahl der Zähne im Zahnrad ergibt. Mathematisch gesehen haben wir es als:

Modul = Teilkreisdurchmesser / Zähnezahl.

Es gibt jedoch gemeinsame Werte für Module, die sich an der Art und Weise orientieren, wie sie in industriellen Anwendungen auftreten.

Konfiguration der Getriebeachsen

Konfigurationen von Getriebeachsen gibt es in drei Formen: parallel, sich schneidend und nicht parallel (oder nicht schneidend). Zahnräder mit parallelen Achsen entstehen parallel mit gegenläufig rotierenden Wellen. Sich kreuzende Zahnräder schneiden sich in derselben Ebene, während die Achsen nichtparalleler Zahnräder in unterschiedlichen Ebenen geschnitten sind. Allerdings weisen sich kreuzende und parallele Getriebekonfigurationen eine höhere Effizienz und Geschwindigkeit auf als nicht parallele Getriebe.

Eingriffswinkel

Der Eingriffswinkel ist der Winkel, den der Zahn mit der Normalen zur Teilungslinie bildet. In der Regel wird häufig ein Eingriffswinkel von 20 Grad verwendet. In einigen Fällen gibt es jedoch Winkel von 14.5 und 17.5. Größere Eingriffswinkel deuten auf einen breiten Zahnfuß hin, was zu einer größeren Zahnfestigkeit führt.  

Anzahl der Zähne

Bei der Berechnung der Abmessungen von Zahnrädern sind die Anzahl der Zähne sowie die Werte von Modul und Eingriffswinkel entscheidend. Die Anzahl der Zähne ist entscheidend für die Berechnung der Getriebegeschwindigkeit (Übersetzungsverhältnis) anhand des folgenden Ausdrucks:

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

Drehrichtung

Ein Zahnrad ist rechtsgängig, wenn die Zähne rechts liegen, und linksgängig, wenn die Zähne links liegen. Damit die Kraftübertragung bei einem Stirnrad- oder Kegelradpaar erfolgen kann, müssen die beiden Hand in Hand arbeitenden Zahnräder entgegengesetzte Drehrichtungen aufweisen. Beispielsweise kämmen zwei schrägverzahnte Zahnräder mit Zähnen, die sich in die gleiche Richtung bewegen, nie. Schrauben- und Schneckengetriebe sind jedoch unidirektional und greifen dennoch ineinander.

Torsionswinkel

Der Torsionswinkel ist der Neigungswinkel des Zahns relativ zur Zylinderachse. Eine Vergrößerung 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

Im Folgenden 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 deren Haltbarkeit und Leistung. Zu den Betriebsbedingungen zählen Belastung und Reibung, die auf die Zähne ausgeübt werden. Zu den Umgebungsbedingungen zählen andererseits Luftfeuchtigkeit, Temperatur und Sauberkeit. Die beiden Bedingungen beeinflussen Getriebetyp und Designfaktoren wie Konstruktion, Oberflächenbehandlung, Schmierstoffe und Schmiermethode.

Dimensionsbeschränkungen

Maßbeschränkungen sind Beschränkungen des von Zahnrädern eingenommenen Platzes. Zahnräder sollten sich beispielsweise in der Mitte zwischen den Wellen befinden. Es gibt jedoch Fälle, in denen sie etwas weiter von der Mitte entfernt sind, um besser zum Getriebe zu passen. In solchen Fällen wird das Zahnprofil verändert. Die Verwendung spezieller Ausrüstung und Designs, die am besten zum Raum passen, ist ein weiteres wirksames Mittel, um Maßbeschränkungen 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 Geschwindigkeit oder Drehmomentabgabe erhöhen. Bei der Konstruktion von Getrieben sind die Spezifikation und Anwendungsanforderungen zu berücksichtigen: Richtungsänderungen oder Erhöhung der Geschwindigkeit oder des Drehmoments. Sie können Einfluss auf Getriebetyp, Design und Konfiguration haben.  

Designstandards

Getriebe haben unterschiedliche Spezifikationen, es gibt keinen allgemeinen Industriestandard. Häufig entsprechen Getriebekonstruktionen entweder der Herstellernorm oder den Konstruktionsvorgaben der Maschine oder Anlage. Allerdings haben mehrere Länder einen Standard für ihre Industrien geschaffen. In den Vereinigten Staaten werden Zahnräder beispielsweise nach der American Gear Manufacturers Association (AGMA) gruppiert. Auch Japan und Deutschland haben solche Assoziationen.

Kosten

Die Kosten sind ein Faktor, insbesondere wenn es um kundenspezifische Zahnräder geht. Die Designmaterialien, die Konstruktion, die Oberflächenbeschaffenheit, die Präzision und die Schmierungsanforderungen 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 Zahnräder den Standards entsprechen, ist es besser, diese zu verwenden, da kundenspezifische Zahnräder andere Kosten verursachen.

Wie man Zahnräder herstellt

Zahnräder werden mit mehreren hergestellt Getriebeherstellungsprozesse. Einige davon umfassen:

• Schmieden
• Extrusion und Kaltziehen
• Pulvermetallurgie
• Ausblenden
• Zahnradbearbeitung

Um die endgültige Form und Abmessung des Zahnrads zu erreichen, wird häufig eine maschinelle Bearbeitung durchgeführt. 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