Arten von Zahnrädern

1. Einführung

Viele Arten von Getrieben sind ein wichtiger Bestandteil unzähliger mechanischer Systeme, Sie sind überall zu finden, von Automobilen über Industriemaschinen bis hin zu alltäglicher Unterhaltungselektronik.

Sie funktionieren durch die Übertragung von Rotationskräften zwischen Maschinenkomponenten, ermöglicht eine präzise Steuerung der Bewegung, Geschwindigkeit, und Drehmoment.

Zahnräder sind für den reibungslosen und effizienten Betrieb von Maschinen von entscheidender Bedeutung, mit verschiedenen Getriebetypen für unterschiedliche Anwendungen.

2. Was ist ein Zahnrad??

Ein Zahnrad ist eine gezahnte mechanische Komponente, die mit einem anderen gezahnten Teil kämmt, oft ein anderer Gang, Drehmoment und Bewegung zu übertragen. Zahnräder können das Drehmoment erhöhen, indem sie die Geschwindigkeit opfern, Oder sie können die Geschwindigkeit auf Kosten des Drehmoments erhöhen.

Die Effizienz und Funktionalität von Zahnrädern hängt von ihrer Form ab, Größe, Material, und wie sie miteinander interagieren.

3. Verschiedene Parameter von Zahnrädern

Das Verständnis der Parameter von Zahnrädern ist für die Entwicklung effizienter und zuverlässiger Getriebesysteme von entscheidender Bedeutung. Diese Parameter beeinflussen, wie die Zahnräder ineinandergreifen, wie viel Last sie bewältigen können, und ihre Gesamtleistung in verschiedenen Anwendungen. Hier finden Sie eine Übersicht der wichtigsten Parameter:

1. Anzahl der Zähne

Die Anzahl der Zähne eines Zahnrads ist ein grundlegender Parameter, der das Übersetzungsverhältnis und die Leistung beeinflusst. Es bestimmt die Fähigkeit des Zahnrads, mit einem anderen Zahnrad zu kämmen, und beeinflusst die Drehzahl und das Drehmoment.

• Übersetzungsverhältnis: Das Verhältnis zwischen der Zähnezahl zweier kämmender Zahnräder bestimmt das Verhältnis von Drehzahl und Drehmoment.
  Zum Beispiel, ein Zahnrad mit 20 Zähne, die mit einem Zahnrad kämmen 40 Zähne hat ein Übersetzungsverhältnis von 1:2, Das heißt, das größere Zahnrad dreht sich mit der halben Geschwindigkeit des kleineren Zahnrads, aber mit dem doppelten Drehmoment.

2. Ganze Tiefe

Die Gesamttiefe bezieht sich auf die Gesamttiefe eines Zahnradzahns, welches sowohl den Nachtrag als auch den Nachtrag umfasst. Dies ist entscheidend für den ordnungsgemäßen Eingriff mit benachbarten Zahnrädern.

• Nachtrag: Die Höhe des Zahnradzahns über dem Teilkreis.
• Gegeben werden: Die Tiefe des Zahns unterhalb des Teilkreises.

Die gesamte Tiefe ist ausschlaggebend für die Bestimmung der Festigkeit des Zahnrads und des Raums, der erforderlich ist, damit die Zahnradzähne störungsfrei ineinandergreifen können.

3. Pitchkreis

Der Wälzkreis ist ein gedachter Kreis, der auf dem Wälzkreis eines Gegenrades rollt, ohne zu schlüpfen. Es ist von entscheidender Bedeutung, sicherzustellen, wie Zahnräder interagieren und miteinander kämmen.

• Teilungsdurchmesser: Der Durchmesser des Teilkreises. Es wird verwendet, um das Übersetzungsverhältnis zu berechnen und sicherzustellen, dass die Zahnräder richtig ineinander greifen.

4. Wurzelkreis

Der Fußkreis ist der Kreis, der durch den Grund der Nuten der Zahnradzähne verläuft. Es bestimmt den Mindestdurchmesser des Zahnrads und ist wichtig für das Verständnis der Festigkeit und Haltbarkeit des Zahnrads.

• Wurzeldurchmesser: Der Durchmesser des Kreises, der die Zahnbasen verbindet.

5. Außerhalb des Kreises

Der äußere Kreis, oder Außendurchmesser, ist der Kreis, der durch die Spitzen der Zahnradzähne verläuft. Es ist wichtig, um die Gesamtgröße und das Spiel des Zahnrads zu bestimmen.

• Außendurchmesser: Der Durchmesser gemessen von der Spitze eines Zahns bis zur Spitze des gegenüberliegenden Zahns.

6. Teilungsdurchmesser

Der Teilkreisdurchmesser ist der Durchmesser des Teilkreises und ein entscheidender Parameter für die Berechnung des Übersetzungsverhältnisses und die Sicherstellung des ordnungsgemäßen Eingriffs zwischen den Zahnrädern.

• Formel: Teilungsdurchmesser = Anzahl der Zähne / Diametraler Abstand (für imperiale Einheiten) oder Teilungsdurchmesser = (Anzahl der Zähne * Modul) (für metrische Einheiten).

7. Kreisförmige Teilung

Die Kreisteilung ist der Abstand zwischen entsprechenden Punkten benachbarter Zähne, gemessen entlang des Teilkreises. Es ist wichtig, den richtigen Zahneingriff und die richtige Ausrichtung sicherzustellen.

• Formel: Kreisteilung = π * Teilungsdurchmesser / Anzahl der Zähne.

8. Modul

Der Modul ist ein Maß für die Größe der Zähne, definiert als das Verhältnis des Teilkreisdurchmessers zur Anzahl der Zähne. Es wird im metrischen System zur Standardisierung von Zahnradgrößen verwendet.

• Formel: Modul = Teilungsdurchmesser / Anzahl der Zähne.

9. Diametraler Abstand

Die Diametralteilung ist die Anzahl der Zähne pro Zoll des Teilungsdurchmessers. Es wird im imperialen System zur Standardisierung von Zahnradgrößen verwendet und ist die Umkehrung des Moduls.

• Formel: Durchmesserteilung = Anzahl der Zähne / Teilungsdurchmesser.

10. Kreisförmige Dicke

Die Kreisdicke ist die Dicke eines Zahnradzahns, gemessen entlang des Teilkreises. Es beeinflusst die Festigkeit des Getriebes und die Effizienz der Kraftübertragung.

• Formel: Kreisdicke = Kreisteilung / 2.

4. Wie Zahnräder funktionieren?

Zahnräder sind mechanische Geräte, typischerweise kreisförmig, mit Zähnen an den Rändern, die zur Übertragung von Rotationskräften und Drehmomenten in Maschinen dienen.

Paarweise operieren, Zahnräder greifen in ihre Zähne, um ein Durchrutschen zu verhindern. In kreisförmigen Zahnrädern, Drehzahl und Drehmoment bleiben konstant, während unrunde Zahnräder variable Drehzahl- und Drehmomentverhältnisse erzeugen.

Um eine konstante Geschwindigkeit und ein konstantes Drehmoment aufrechtzuerhalten, Eine präzise Gestaltung des Zahnradprofils ist unerlässlich. Beim kleineren Gang, oder Ritzel, treibt das System an, es reduziert die Geschwindigkeit und erhöht das Drehmoment.

Umgekehrt, wenn sich das Ritzel auf der Abtriebswelle befindet, Die Drehzahl steigt, während das Drehmoment abnimmt.

Wellen, die die Zahnräder halten, müssen den richtigen Abstand haben und können parallel angeordnet werden, nicht parallel, kreuzend, oder sich nicht überschneidende Konfigurationen. Diese Wellen fungieren als Hebel zur Übertragung von Rotation und Energie zwischen den Zahnrädern.

Zu den wichtigsten Ergebnissen von Getriebesystemen gehören::

• Geschwindigkeit erhöhen: In einem Zahnradpaar, wo man hat 40 Zähne und das andere 20, Das kleinere Zahnrad dreht sich doppelt so schnell, um die Synchronisierung aufrechtzuerhalten, Dies führt zu einer höheren Geschwindigkeit, aber einem geringeren Drehmoment.
• Stärke erhöhen: Ein kleineres Zahnrad mit weniger Zähnen verringert die Geschwindigkeit, erhöht aber die Kraft, zum Drehen ist mehr Drehmoment erforderlich.
• Richtung ändern: Wenn zwei Zahnräder ineinander greifen, sie drehen sich in entgegengesetzte Richtungen. Um die Drehrichtung oder den Drehwinkel effizient zu ändern, werden Spezialgetriebe eingesetzt.

5. Was ist das Design von Zahnrädern??

Industrielle Anwendungen nutzen eine Vielzahl von Zahnrädern, jeweils für bestimmte Zwecke konzipiert. Zu den Hauptmerkmalen, die zwischen diesen Zahnrädern variieren, gehören::

• Zahnradform
• Zahndesign und -konfiguration
• Konfiguration der Getriebeachsen

Zahnradform

Zahnräder können zylindrisch sein (Sporn, spiralförmig) oder konisch (Fase) auf der Grundlage ihrer Anwendung. Die Form beeinflusst, wie gut die Zahnräder ineinandergreifen, die Menge an Kraft, mit der sie umgehen können, und wie viel Lärm sie erzeugen.

Stirnräder, zum Beispiel, sind bei hohen Geschwindigkeiten laut, während Schrägverzahnungen aufgrund der abgewinkelten Zähne eine leisere und gleichmäßigere Leistung bieten.

Zahndesign und -konfiguration

Zahnräder können unterschiedliche Zahnprofile haben, jeweils für bestimmte Aufgaben geeignet. Gerade Zähne (Stirnräder) funktionieren gut für einfache, Anwendungen mit niedriger Geschwindigkeit, während spiralförmige oder spiralförmige Zähne (spiralförmig, Kegelräder) sorgen für sanfteres Einrücken und höhere Effizienz bei höheren Geschwindigkeiten.

Konfiguration der Getriebeachsen

• Parallel: In parallelen Konfigurationen, die Wellen sind auf der gleichen Ebene ausgerichtet, und die Antriebs- und Abtriebsräder drehen sich in entgegengesetzte Richtungen. Dieser Aufbau bietet typischerweise eine hohe Effizienz bei der Bewegungsübertragung. Beispiele hierfür sind Schrägverzahnungen und Zahnstangen-Ritzel-Systeme.
• Überschneidend: Für sich überschneidende Konfigurationen, Die Wellen kreuzen sich an einem Punkt innerhalb derselben Ebene, Bietet eine hohe Übertragungseffizienz, ähnlich wie bei parallelen Setups. Ein Paradebeispiel hierfür sind Kegelräder.
• Nicht parallel und nicht überschneidend: In Konfigurationen, in denen die Wellen weder parallel sind noch sich schneiden, Das heißt, sie sind weder ausgerichtet noch auf derselben Ebene, Die Übertragungseffizienz ist tendenziell geringer. Schneckengetriebe sind ein Beispiel für diese Kategorie.

6. Welche Materialien werden in Zahnrädern verwendet??

Das zur Herstellung von Zahnrädern verwendete Material hat einen erheblichen Einfluss auf deren Leistung, Haltbarkeit, und Eignung für bestimmte Anwendungen. Verschiedene Materialien bieten unterschiedliche Festigkeitsgrade, Verschleißfestigkeit, und Korrosionsbeständigkeit.

Nachfolgend sind einige der am häufigsten verwendeten Materialien bei der Zahnradherstellung aufgeführt:

Walzstahl

Walzstahl wird aufgrund seiner hohen Festigkeit und Zähigkeit häufig für Zahnräder verwendet. Es wird durch Warm- oder Kaltwalzen von Stahl durch eine Reihe von Walzen hergestellt, Verfeinerung seiner Struktur und Verbesserung seiner mechanischen Eigenschaften.

Zahnräder aus Walzstahl werden häufig in Schwerlastanwendungen eingesetzt, wie Automobilgetriebe und Industriemaschinen, wo Haltbarkeit und Schlagfestigkeit entscheidend sind.

Kaltgewalzter Stahl

Kaltgewalzter Stahl durchläuft einen Prozess, bei dem der Stahl nach dem Walzen abgekühlt wird, was seine Festigkeit und Oberflächengüte verbessert. Dieses Verfahren bietet eine bessere Maßhaltigkeit und eine glattere Oberfläche als warmgewalzter Stahl.

Zahnräder aus kaltgewalztem Stahl werden häufig in Präzisionsgeräten verwendet, die enge Toleranzen erfordern, wie Uhren und feine Instrumente, sowie Automobil- und Industrieanwendungen.

Werkzeugstahllegierungen

Werkzeugstahllegierungen sind für ihre Härte bekannt, Verschleißfestigkeit, und Fähigkeit, hohen Temperaturen standzuhalten. Sie eignen sich hervorragend für die Herstellung von Getrieben, die extremen Belastungen und Stößen ausgesetzt sind.

Diese Legierungen enthalten typischerweise einen hohen Kohlenstoffgehalt, Chrom, und andere Elemente wie Vanadium oder Wolfram, die ihre Festigkeit und Haltbarkeit erhöhen. Zahnräder aus Werkzeugstahl werden in Anwendungen wie Schneidwerkzeugen und Industriemaschinen eingesetzt.

Eisenlegierungen

Eisenlegierungen, einschließlich Gusseisen und Sphäroguss, werden häufig bei der Herstellung von Zahnrädern eingesetzt. Zahnräder aus Gusseisen bieten eine gute Verschleißfestigkeit, Vibrationsdämpfung, und Bearbeitbarkeit, Dadurch sind sie für Große geeignet, Niedriggeschwindigkeitsgetriebe, die in Anwendungen wie Fördersystemen und Schwermaschinen eingesetzt werden.

Sphäroguss bietet eine bessere Zähigkeit als Gusseisen, Bereitstellung eines Gleichgewichts zwischen Festigkeit und Stoßfestigkeit.

Edelstahl

Edelstahl wird für Zahnräder bevorzugt, die eine hohe Korrosionsbeständigkeit und Haltbarkeit erfordern. Es enthält Chrom, das eine schützende Oxidschicht auf der Oberfläche bildet, verhindert Rost und Korrosion.

Zahnräder aus Edelstahl werden häufig in Geräten der Lebensmittelverarbeitung verwendet, Marineanwendungen, und Umgebungen, in denen Feuchtigkeit oder Chemikalien vorhanden sind.

Kupferlegierungen

Kupferlegierungen, wie Messing und Bronze, werden in Getrieben mit geringer Reibung eingesetzt, Korrosionsbeständigkeit, und einfache Bearbeitung sind entscheidend.

Diese Zahnräder kommen typischerweise in Anwendungen zum Einsatz, die einen leiseren Betrieb und weniger Verschleiß erfordern, wie Schneckengetriebe, Lager, und Buchsen.

Kupferlegierungen werden auch wegen ihrer elektrischen Leitfähigkeit geschätzt, Dadurch sind sie für einige spezielle Elektrogeräte geeignet.

Aluminiumlegierungen

Aluminiumlegierungen sind leicht und korrosionsbeständig, Dadurch eignen sie sich für Getriebe mit geringer Belastung, Hochgeschwindigkeitsanwendungen.

In der Luft- und Raumfahrt findet man häufig Zahnräder aus Aluminium, Robotik, und Automobilindustrie, wo Gewichtsreduktion im Vordergrund steht.

Obwohl nicht so stark wie Stahl, Aluminiumlegierungen können behandelt oder beschichtet werden, um ihre Festigkeit und Verschleißfestigkeit zu erhöhen.

Zahnräder aus Kunststoff

Kunststoffzahnräder sind leicht, korrosionsbeständig, und glatt anbieten, leiser Betrieb.

Wird üblicherweise aus Materialien wie Nylon hergestellt, Acetal, oder Polycarbonat, Kunststoffzahnräder werden häufig in Anwendungen eingesetzt, die geringe Geräuschentwicklung und geringe Reibung erfordern, wie Drucker, Haushaltsgeräte, und kleine Maschinen.

Allerdings sind sie nicht so stark belastbar wie Metallgetriebe, Kunststoffzahnräder sind ideal für Low-Power-Anwendungen, kostengünstige Lösungen.

7. Arten von Zahnrädern

Zahnräder werden nach ihrer Zahnform klassifiziert, Wellenkonfiguration, und spezifischen Zweck. Das Verständnis der verschiedenen Getriebetypen ist für die Auswahl des geeigneten Getriebes von entscheidender Bedeutung, um eine effektive Kraftübertragung in mechanischen Konstruktionen sicherzustellen.

Basierend auf der Zahnform

1. Stirnräder

• • Externe Stirnräder: Die häufigste Art von Ausrüstung, mit geraden Zähnen, die parallel zur Zahnradachse verlaufen. Diese Zahnräder dienen der Kraftübertragung zwischen parallelen Wellen und sind für ihre Effizienz und Einfachheit bekannt.
  • Interne Stirnräder: Ähnlich wie externe Stirnräder, Die Zähne werden in die Innenfläche eines Zahnkranzes geschnitten. Sie werden dort eingesetzt, wo Platzersparnis erforderlich ist, wie zum Beispiel Planetengetriebe.

2. Schrägverzahnungen

• • Einzelne Spirale: Diese Zahnräder haben abgewinkelte Zähne, die für einen sanfteren und leiseren Betrieb sorgen als Stirnräder. Der Winkel der Zähne ermöglicht ein allmähliches Einrasten, Reduzierung von Lärm und Stress während des Betriebs.
  • Doppelspiralförmig: Auch als Fischgrätenzahnräder bekannt, Diese haben zwei Sätze gegenüberliegender Schrägzähne. Durch die Konstruktion wird der Axialschub aufgehoben, Dadurch sind sie für schwere Maschinen mit hoher Belastung geeignet.
  • Schraubengetriebe: Ähnlich wie bei Schrägverzahnungen, Sie werden in Anwendungen eingesetzt, bei denen nicht parallele Wellen erforderlich sind. Sie dienen der Drehmomentübertragung zwischen zwei sich nicht schneidenden Wellen.

3. Kegelräder

• • Gerade Gänge: Kegelräder mit geraden Zähnen werden zur Bewegungsübertragung zwischen sich kreuzenden Wellen verwendet, typischerweise in einem 90-Grad-Winkel. Sie sind effizient, können aber unter Last laut sein.
  • Spiralgetriebe: Diese haben gebogene Zähne, die einen sanfteren Betrieb und eine höhere Belastbarkeit bieten als gerade Kegelräder. Sie sind ideal für Hochgeschwindigkeitsanwendungen.
  • Gehrungsgetriebe: Eine Art Kegelradgetriebe, bei dem das Übersetzungsverhältnis beträgt 1:1, Wird häufig bei Anwendungen verwendet, die gleiche Geschwindigkeit, aber eine Richtungsänderung erfordern.
  • Hypoidgetriebe: Diese Zahnräder haben versetzte Achsen, Dies ermöglicht eine höhere Drehmomentübertragung und einen leiseren Betrieb. Sie kommen häufig in Differenzialen von Kraftfahrzeugen vor.
  • Zerol Gears: Eine Mischung aus geraden und spiralförmigen Kegelrädern, bietet einen Kompromiss zwischen reibungslosem Betrieb und einfacher Herstellung.
  • Kronenkegelräder: Ein Kegelrad, bei dem die Zähne senkrecht zur Zahnradfläche stehen, bietet einzigartige Winkelkonfigurationen.

4. Fischgräten-Zahnräder
   Fischgrätenzahnräder haben ein „V“-förmiges Zahnmuster und sind für ihre Fähigkeit bekannt, schwere Lasten zu bewältigen, ohne nennenswerten Axialschub zu erzeugen. Diese Getriebe werden häufig in großen Industriemaschinen und Schiffen eingesetzt.

1. 4. Zahnstangengetriebe
      Ein lineares Getriebesystem, bei dem das Ritzel (kreisförmiges Zahnrad) kämmt mit einem Lineargetriebe (Gestell) um eine Drehbewegung in eine lineare Bewegung umzuwandeln, wird häufig in Lenksystemen und Eisenbahnen eingesetzt.

4. Schneckengetriebe
   Schneckengetriebe bestehen aus einer Schnecke (schraubenartiges Getriebe) und ein Schneckenrad. Sie sorgen für eine hohe Drehmomentreduzierung auf engstem Raum und werden in Förderanlagen und Aufzügen eingesetzt.

   

Spezielle Arten von Zahnrädern

1. Interne Zahnräder
   Innenverzahnungen haben Zähne, die in die Innenseite eines Kreisrings eingeschnitten sind. Sie werden häufig mit externen Stirnrädern in Planetengetriebesystemen kombiniert, um ein hohes Drehmoment und eine hohe Platzeffizienz zu erreichen.
2. Differentialgetriebe
   Wird hauptsächlich in Automobilsystemen verwendet, Differentialgetriebe ermöglichen es den Rädern, sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten zu drehen und gleichzeitig die Drehmomentverteilung aufrechtzuerhalten, unerlässlich für sanftes Kurvenfahren.
3. Planetengetriebe
   Planetengetriebe bestehen aus einem zentralen Sonnenrad, Planetenräder, und einen Außenring (Innenzahnrad). Dieses Design bietet eine hohe Drehmomentdichte und wird häufig in Automatikgetrieben und Industrieanlagen eingesetzt.

   

4. Kettenräder
   Kettenräder werden in Kettenantrieben eingesetzt, mit Zähnen, die für den Eingriff mit einer Kette oder einem Riemen ausgelegt sind. Man findet sie häufig in Fahrrädern, Motorräder, und Förderanlagen.
5. Spline-Zahnräder
   Diese Zahnräder sind entlang ihrer Länge mit Rillen oder Zähnen versehen und werden in mechanischen Kupplungen verwendet, Ermöglicht eine Drehmomentübertragung und ermöglicht gleichzeitig eine gewisse Bewegung entlang der Achse.
6. Nylon-Zahnräder
   Nylonzahnräder sind leicht und korrosionsbeständig, Angebot glatt, leiser Betrieb. Sie werden häufig in kleinen Größen verwendet, Anwendungen mit geringem Stromverbrauch wie Drucker und Haushaltsgeräte.

   

7. Hinterradgetriebe
   Wird in Differenzialen von Kraftfahrzeugen gefunden, Hinterradgetriebe sorgen für die Übertragung hoher Drehmomente und sind für die Sicherstellung der richtigen Radgeschwindigkeit bei Kurvenfahrten des Fahrzeugs unerlässlich.
8. Kleine Zahnräder
   Kleine Getriebe werden in Anwendungen eingesetzt, bei denen kompakte Größe und präzise Bewegungssteuerung erforderlich sind, etwa bei Uhren, Instrumente, und Kleinmaschinen.

8. Überlegungen zum Getriebedesign

Mehrere Faktoren beeinflussen die Getriebekonstruktion, Sicherstellen, dass der ausgewählte Gang der Leistung entspricht, kosten, und Haltbarkeitsanforderungen:

• Budget: Hochleistungsmaterialien, wie Edelstahl und Werkzeugstahl, sind teurer als Grundmetalle wie Gusseisen.
• Platzbeschränkungen: Bei kompakten Anwendungen kommen häufig Planetengetriebe zum Einsatz, die eine hohe Drehmomentübertragung auf kleinem Raum bieten.
• Übertragungsbedarf: Bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen können für eine gleichmäßige Leistung Schräg- oder Kegelräder bevorzugt werden, bei niedriger Geschwindigkeit, Bei Aufgaben mit hohem Drehmoment kommen häufig Schnecken- oder Stirnräder zum Einsatz.
• Servicebedingungen: Raue Umgebungen, beispielsweise solche, bei denen es um Feuchtigkeit oder Chemikalien geht, Möglicherweise sind korrosionsbeständige Materialien wie Edelstahl oder Nylon erforderlich.

9. Anwendungen von Zahnrädern

Zahnräder werden in zahlreichen Branchen zur Geschwindigkeitsregelung eingesetzt, Drehmoment, und die Bewegungsrichtung. Zu den wichtigsten Anwendungen gehören:

• Lenksysteme für Kraftfahrzeuge: Zahnstangengetriebe wandeln Drehbewegungen in lineare Bewegungen um, ermöglicht eine präzise Steuerung der Lenkung.
• Getriebe: In Autos gefunden, Industriemaschinen, und Windkraftanlagen, Getriebe passen Geschwindigkeit und Drehmoment an.
• Luft- und Raumfahrt: Zahnräder werden in Flugsteuerungssystemen und Triebwerken zur reibungslosen Steuerung eingesetzt, effiziente Kraftübertragung.
• Landmaschinen: Traktoren und Mähdrescher verwenden Zahnräder, um die Motorleistung zu verwalten und Geräte anzutreiben.

Eine Tabelle für jede Art von Getriebeanwendung