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Getriebearten und deren Anwendung - Zahnradgetriebe und Kettengetriebe
In diesem Artikel werden verschiedene Getriebearten vorgestellt sowie deren Anwendungsbereiche erläutert. Getriebe sind unverzichtbare Komponenten in vielen Maschinen und Fahrzeugen. Sie ermöglichen die Übertragung von Drehmoment und Geschwindigkeit zwischen Antriebs- und Abtriebswelle, wodurch eine optimale Leistungsübertragung gewährleistet wird.
Arten von Zahnradgetrieben
Zahnradgetriebe sind eine häufig verwendete Form der Kraftübertragung in mechanischen Systemen. Es gibt verschiedene Arten von Zahnradgetrieben, die je nach Anwendung und gewünschter Funktionalität eingesetzt werden.
Allen Arten der aufgeführten Getriebe ist gemein, dass ihre Hauptaufgabe in der Drehzahl- und Drehmomentwandlung besteht, also einer durch die Bauform und die eingesetzten Komponenten bedingten Änderung von Drehzahlen und Drehmomenten zwischen Antrieb und Abtrieb.
- Stirnradgetriebe
- Kegelradgetriebe
- Schneckengetriebe
Stirnradgetriebe
Stirnradgetriebe sind eine Form der Wälzgetriebe und aufgrund ihrer einfachen Bauart ein beliebtes Mittel, um die oben genannten Aufgaben in einer Anwendung umzusetzen. Die Achsen, auf denen die Stirnräder (außen- oder innenverzahnt) angebracht sind, sind dabei parallel zueinander ausgerichtet. Die Verzahnung der enthaltenen Stirnräder ist als Gerad- oder Schrägverzahnung ausgeformt. Dabei können Stirnradgetriebe aus einer Antriebswelle und einer oder mehreren Abtriebswellen bestehen. Man spricht hier von ein- oder mehrstufigen Stirnradgetrieben.
Stirnradgetriebe ermöglichen typischerweise ein Übersetzungsverhältnis von i ≤ 6, was jedoch durch eine mehrstufige Bauweise weiter erhöht werden kann. Weiter zeichnen sich Stirnradgetriebe durch ihre kostengünstige Herstellung, die hohe Robustheit und einen hohen Wirkungsgrad aus.
Anwendungsbeispiel
Bei dieser Anwendung wird ein Werkstücks von einem Förderer zum Folgeverfahren durch Drehen des Werkstücks um 180° auf einen anderen Förderer transferiert.
- 1) Zunächst dreht der Arm das Werkstück um 90°.
- 2) Anschließend dreht das Gestänge die Greifvorrichtung um die nächsten 90°.
Hier klicken, um noch mehr Details über diese Anwendung zu erfahren und sie als Animation zu sehen.
Kegelradgetriebe
Ebenso wie Stirnradgetriebe gehören klassische Kegelradgetriebe zur Gruppe der Wälzgetriebe. Kegelradgetriebe bestehen aus einem als Tellerrad bezeichneten, größeren Kegelrad und einem als Ritzel bezeichneten, kleineren Kegelrad. Bei einfachen Kegelradgetrieben treffen sich die gedachten Kegelspitzen von Tellerrad und Ritzel in einem Schnittpunkt. Ihre Hauptcharakteristik besteht darin, dass die Achsen, auf denen die Zahnräder montiert sind, nicht parallel, sondern in einem Winkel zueinander angeordnet werden (häufig 90°). Dadurch ist es mithilfe von Kegelradgetrieben möglich, eine Umlenkung der übertragenen Kraft zu erreichen.
Anders verhält sich diese Eigenschaft, wenn das Tellerrad als Planrad ausgestaltet ist, sein Teilkegelwinkel also nahe 90° liegt. In diesem Fall ließe sich aufgrund der verschiedenen Umfangsgeschwindigkeiten keine 90°-Umlenkung bei Verwendung eines Kegelrads als Ritzel mehr erreichen. Falls diese Umlenkung dennoch gewünscht ist, können Kronenräder in Kombination mit einfachen Stirnrädern verwendet werden.
In einigen Fällen kann es notwendig sein, Drehbewegungen auch zwischen Achsen zu übertragen und umzulenken, die keinen gemeinsamen Schnittpunkt aufweisen. Hierfür können Schraubenkegelradgetriebe (auch "Hypoidgetriebe") zum Einsatz gebracht werden. Bei Hypoidgetrieben ändert sich das Abrollverhalten des Ritzels von einer Wälzbewegung hin zu einer Schraubbewegung, bei der die Zahnflanken gegeneinander gleiten.
Schneckengetriebe
Schneckengetriebe bestehen aus einer Schnecke und einem Schneckenrad und gehören zur Gruppe der Schraubgetriebe. Schneckengetriebe zeichnen sich durch hohe Übersetzungsverhältnisse von bis zu i ≤ 40 aus und weisen unter bestimmten Voraussetzungen eine Selbsthemmung auf, die für diverse Anwendungen genutzt werden kann.
Durch die hohe Gleitreibung zwischen Schnecke und Schneckenrad verfügen Schneckengetriebe jedoch über einen geringeren Wirkungsgrad als andere Getriebetypen. Auch bedingt die hohe Gleitreibung, dass bei der Auswahl der Komponenten auf geeignete Werkstoffpaarungen sowie eine effiziente Schmierung geachtet werden sollte.
Anwendungsbeispiel
Das Schneckengetriebe und das Schneckenrad werden vom Motor angetrieben und die Trommel am Wellenende wickelt den Draht auf.
Hier klicken, um noch mehr Details über diese Anwendung zu erfahren.
Zahnriemen- und Kettengetriebe
Ein Kettengetriebe oder Zahnriemengetriebe besteht aus zwei oder mehr Zahnrädern oder Zahnriemenscheiben, die durch eine umlaufende Kette bzw. Zahnriemen miteinander verbunden sind. Durch die Bewegung eines Zahnrades (Antriebsrad) wird die Kette bzw. der Zahnriemen und somit auch das andere Zahnrad (Abtriebsrad) in Bewegung versetzt.
Das Prinzip des Kettengetriebes ermöglicht eine Kraftübertragung über größere Entfernungen und bietet die Möglichkeit, Drehzahlen und Drehmomente zu variieren, je nachdem wie die Größenverhältnisse der Zahnräder gewählt werden.
Zum Beispiel:
- Förderanlagen: In industriellen Anwendungen werden Kettengetriebe eingesetzt, um Materialien über größere Entfernungen zu transportieren.
- Maschinenwerkzeuge: In Werkzeugmaschinen können Kettengetriebe verwendet werden, um präzise Bewegungen oder Positionierungen von Werkstücken oder Werkzeugen zu ermöglichen.
Anwendungsbeispiel
Ein motorisiertes Fördersystem, das ein System von Rollen, Antriebsrädern und Zahnriemen verwendet.
- Die Rollen werden mittels Kettengetrieben angetrieben - also mit Zahnriemen und Zahnriemenscheiben.
- Die Rollen sind jeweils mit einem O-Ring für guten Kontakt mit den Seiten und Ecken der Glasleiterplatte ausgestattet.
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Zahnradtypen
Um die verschiedenen Bauformen von Getrieben zu verstehen, ist es wichtig, sich mit den unterschiedlichen Zahnradtypen zu beschäftigen. Nachfolgend gehen wir auf die unterschiedlichen Zahnradtypen sowie ihre Besonderheiten ein.
- Stirnzahnräder
- Zahnstangen
- Kegelräder
- Schneckenwellen
Ausgleichskupplungen sind in vielen Fällen unerlässlich. Sie sorgen für eine gleichmäßige Kraftübertragung zwischen den Zahnrädern und gleichen eventuelle Toleranzen aus – das erhöht die Lebensdauer aller Bauteile erheblich!
Stirnzahnräder
Stirnzahnräder sind die am weitesten verbreitete Form von Zahnrädern, bei denen sich die Zahnung auf dem Umfang des zylinderförmigen Zahnrades befindet.
Außenverzahnte Stirnräder
Außenverzahnte Stirnräder weisen am Umfang eine nach außen gerichtete Verzahnung auf. Bei zwei ineinandergreifenden, außenverzahnten Stirnrädern ändert sich die Drehrichtung bei Übertragung der Drehbewegung vom antreibenden auf das angetriebene Zahnrad.
Innenverzahnte Stirnräder
Bei innenverzahnten Stirnrädern, auch Hohlräder genannt, ist die auf dem Umfang befindliche Verzahnung nach innen gerichtet.
Bei der Kombination eines innenverzahnten Stirnrads mit einem außen verzahnten Stirnrad ändert sich die Drehrichtung des angetriebenen Zahnrades im Gegensatz zur Kombination zweier außenverzahnter Stirnräder nicht.
Auch kann durch die besondere Bauform eine platzsparende Anordnung der Zahnräder durch einen verringerten Achsabstand erreicht werden. Eine weitere Besonderheit der Innenverzahnung ist die konkave Bauweise der Zahnflanken, durch die bei der Kombination mit einer konvexen Verzahnung die Kontaktfläche erhöht und somit der Verschleiß verringert wird.
Zahnstangen
Zahnstangen können als Sonderform der Stirnräder angesehen werden, die eine beliebig große Breite aufweisen. Sie bestehen aus einer Stange, auf der eine nicht gewölbte Verzahnung angebracht ist. Zahnstangen übersetzen die Drehbewegung eines außenverzahnten Stirnrads in eine Linearbewegung.
Es ist auch der umgekehrte Fall möglich: Zahnstangen übersetzen ihre Linearbewegung in eine Drehbewegung eines außenverzahnten Stirnrads.
Anwendungsbeispiel
Zum Anheben und Absenken mehrerer Heber mit einem Luftzylinder.
In dieser Anwendung wird nur ein Antrieb benötigt, um gleichzeitig mehrere Heber in einer kontinuierlichen Arbeit (auf und ab) zu bewegen.
- 1) Die platzsparende Luftzylinder-Einheit (gelb, ganz rechts im Bild) führt eine lineare Bewegung aus und bewegt die Zahnstange vor und zurück.
- 2) Durch die lineare Bewegung der Zahnstange (Ritzel) werden die vorderen Stirnzahnräder bewegt.
- 3) Die vorderen Stirnzahnräder führen eine Drehbewegung aus und übertragen mittels Achsen die Kraft an die hinteren Stirnzahnräder.
- 4) Die hinteren Stirnzahnräder greifen in die hinteren Zahnstangen der Heber. Sie übersetzen ihre Drehbewegung wieder in eine Linearbewegung.
Hier klicken, um noch mehr Details über diese Anwendung zu erfahren und sie als Animation zu sehen.
Kegelräder
Kegelräder weisen eine kegelförmige Bauform auf, bei der sich die Verzahnung auf der Kegelaußenseite (Mantelfläche) befindet.
Die Verzahnung kann bei Kegelrädern als Geradverzahnung oder Spiralverzahnung ausgeformt sein.
Schneckenwellen
Schneckenwellen (kurz "Schnecken") kommen zusammen mit Schneckenrädern in Schneckengetrieben vor. Die Schneckenwelle verfügt über einen schraubenförmigen Gewindegang, der in die Verzahnung des Schneckenrades eingreift.
Schneckengetriebe zeichnen sich durch hohe Übersetzungsverhältnisse aus und können unter bestimmten Voraussetzungen selbsthemmend sein, was für diverse Anwendungen genutzt werden kann. Durch die hohe Gleitreibung zwischen Schnecke und Schneckenrad weisen Schneckengetriebe jedoch einen geringeren Wirkungsgrad auf als andere Getriebetypen.
Bei der Schneckenwelle handelt es sich um eine Abwandlung der Schrägverzahnung, bei der ein oder mehrere spiralförmig verlaufende Zähne (Gänge) in die Welle eingebracht sind.
Verzahnungsarten
Die Verzahnungsart hat in der späteren Anwendung einen großen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Getriebes und die beim Betrieb auftretenden Kräfte. Je nach Anwendung können unterschiedliche Formen der Verzahnung als Mittel der Wahl in Frage kommen.
- Geradverzahnung
- Schrägverzahnung
- Doppelschrägverzahnung
Geradverzahnung
Die Geradverzahnungen ist die simpelste Art der Verzahnungsmöglichkeit, bei der die Zähne im Falle von Stirnrädern parallel zur Drehachse des Zahnrades angeordnet sind. Diese Form der Verzahnung ist günstig in der Produktion und stellt eine verbreitete Verzahnungsvariante dar.
Bei der Geradverzahnung sind bis zu 3 Zähne simultan im Eingriff mit einem Gegenrad, wodurch sich die Belastung auf mehrere Zähne verteilt. Bei geradverzahnten Zahnrädern greift die gesamte Breite der Zahnflanke bei der Übertragung der Antriebskräfte auf einmal ein, wodurch die Geräuschentwicklung und der Verschleiß höher sind, als bei der Schrägverzahnung.
Schrägverzahnung
Bei der Schrägverzahnung (z. B. Schrägstirnrad) stehen die Zähne in einem Winkel zur Drehachse des Zahnrades. Dadurch erhöht sich der Überdeckungsgrad, also das Verhältnis von Eingriffslänge zur Teilung des Zahnrades. Dies wirkt sich positiv auf die Laufruhe sowie die Verschleißfestigkeit aus, wodurch höhere Drehzahlen erreicht werden können.
Im Vergleich zur Geradverzahnung ist diese Ausführung teurer in der Produktion und die beim Betrieb auftretenden Axialkräfte müssen abgefangen werden.
Eine besondere Form der Schrägverzahnung bildet die Bogenverzahnung. Hierbei beschreiben die einzelnen Zähne zusätzlich zur winkligen Anordnung einen bogenförmigen Verlauf entlang der Zahnmitte, der mit einer weiteren Erhöhung des Überdeckungsgrades und den damit verbundenen Vorteilen einhergeht.
Doppelschrägverzahnung
Im Fall der Doppelschrägverzahnung (auch Pfeilverzahnung oder Doppelhelix-Verzahnung genannt) wird der Umfang des Zahnrades in eine linkssteigende Hälfte und eine rechtssteigende Hälfte unterteilt.
Diese aufwändige Bauform ist in ihren Herstellungskosten vergleichsweise hoch, vereint jedoch die Vorteile der zuvor genannten Verzahnungsvarianten, wodurch eine hohe Laufruhe und Verschleißfestigkeit ermöglicht wird.
