Wie man verschiedene Arten von Stirnrädern vergleicht

Beim Vergleich verschiedener Stirnradtypen sind einige wichtige Aspekte zu berücksichtigen. Zu den wichtigsten gehören: Gängige Anwendungsbereiche, Teilkreisdurchmesser und Kopfkreisdurchmesser. Im Folgenden gehen wir detaillierter auf diese Faktoren ein. Dieser Artikel hilft Ihnen zu verstehen, welche Vorteile die verschiedenen Stirnradtypen bieten. Ob Sie einen Elektromotor oder eine Baumaschine antreiben möchten – das richtige Stirnrad erleichtert die Arbeit und spart Ihnen langfristig Kosten.

Gängige Anwendungen

Stirnräder finden vielfältige Anwendung, unter anderem in Flugzeugen, Zügen und Fahrrädern. Sie werden auch in Kugelmühlen und Brechern eingesetzt. Dank ihrer hohen Drehzahl bei niedrigem Drehmoment eignen sie sich ideal für eine Vielzahl von Anwendungen, darunter auch Industriemaschinen. Im Folgenden werden einige gängige Einsatzgebiete von Stirnrädern sowie die gebräuchlichsten Typen aufgeführt. Obwohl Stirnräder im Allgemeinen leise sind, weisen sie auch Einschränkungen auf.
Stirnradgetriebe können extern oder als Nebenaggregate ausgeführt sein. Diese Getriebeeinheiten werden von einem vorderen und einem hinteren Gehäuse getragen. Sie übertragen die Antriebskraft auf die Nebenaggregate, welche wiederum die Maschine bewegen. Die Antriebsdrehzahl liegt typischerweise zwischen 5000 und 6000 U/min, bei Zentrifugalentlüftern bei 20.000 U/min. Aus diesem Grund werden Stirnräder üblicherweise in großen Maschinen eingesetzt. Um mehr über Stirnräder zu erfahren, sehen Sie sich das folgende Video an.
Teilkreisdurchmesser und Modulgröße von Stirnrädern sind wichtige Parameter. Die Modulgröße, also das Verhältnis von Zähnezahl zu Teilkreisdurchmesser, ist entscheidend für die Bestimmung des Achsabstands zweier Stirnräder. Dieser Achsabstand ergibt sich aus der Summe der Radien ihrer Teilkreise. Der Kopfkreisdurchmesser (auch Zahnkopf genannt) ist die Höhe, um die ein Zahn über den Teilkreis hinausragt. Neben der Modulgröße wird der Achsabstand zweier Stirnräder auch als Abstand zwischen ihren Mittelpunkten angegeben.
Ein weiteres wichtiges Merkmal von Stirnrädern ist ihre Eignung für niedrige Drehzahlen. Sie können auch bei niedrigen Drehzahlen eine hohe Leistung erbringen. Wenn jedoch die Geräuschdämpfung keine Priorität hat, sind Schrägverzahnungen vorzuziehen. Schrägverzahnungen haben Zähne, die entgegengesetzt zur Achse angeordnet sind, wodurch sie leiser sind. Unter Berücksichtigung des Geräuschpegels eignen sich Schrägverzahnungen jedoch besser für den Betrieb mit niedrigen Drehzahlen.

Konstruktion

Die Herstellung von Stirnrädern beginnt mit dem Zuschnitt des Zahnradrohlings. Dieser besteht aus einem kegelförmigen Block und kann in Größe, Form und Gewicht variieren. Für den Zuschnitt werden Schneidwerkzeuge benötigt, um die korrekte Zahnradgeometrie zu erzeugen. Der Zahnradrohling wird dann langsam in die Drehmaschine eingeführt, bis er die gewünschte Form und Größe erreicht hat. Im Herstellungsprozess wird ein Stahlzahnradrohling, der sogenannte Stirnradrohling, verwendet.
Ein Stirnrad besteht aus zwei Teilen: einer Zentrierbohrung und einer Pilotbohrung. Der Kopfkreis ist der Kreis, der entlang der äußersten Punkte der Zähne des Stirnrads verläuft. Der Fußkreisdurchmesser ist der Durchmesser am Fußpunkt des Zahnzwischenraums. Die Ebene, die die Teilkreisfläche tangiert, wird als Eingriffswinkel bezeichnet. Der Gesamtdurchmesser eines Stirnrads entspricht der Summe aus Kopfkreis und Fußkreisdurchmesser.
Der Teilkreis ist ein Kreis, der von einer Reihe von Zähnen und deren diametraler Teilung gebildet wird. Er definiert den Abstand zwischen zwei ineinandergreifenden Zahnrädern. Der Achsabstand ist der Abstand zwischen den Zahnrädern. Der Teilkreisdurchmesser ist ein entscheidender Faktor für die Bestimmung des Achsabstands zweier Stirnräder. Der Achsabstand berechnet sich durch Addition der Radien der Teilkreise beider Zahnräder. Der Fußpunkt ist die Höhe eines Zahns über dem Teilkreis.
Weitere Aspekte im Konstruktionsprozess sind das verwendete Material, Oberflächenbehandlungen und die Zähnezahl. In manchen Fällen ist ein Standardzahnrad die beste Wahl. Es erfüllt die Anwendungsanforderungen und ist eine kostengünstigere Alternative. Ohne ausreichende Schmierung ist die Lebensdauer des Zahnrads begrenzt. Stirnräder lassen sich auf verschiedene Weise schmieren, beispielsweise durch hydrodynamische Gleitlager oder in sich geschlossene Getriebe.

Nachtragskreis

Teilkreisdurchmesser und Kopfkreis sind zwei wichtige Abmessungen eines Stirnrads. Der Teilkreisdurchmesser entspricht dem Gesamtdurchmesser des Zahnrads, der Kopfkreis ist der Kreis um den Zahnfuß. Der Kopfkreisfaktor ist eine Funktion des Teilkreises und des Kopfkreiswerts, der den radialen Abstand zwischen der Zahnspitze und dem Teilkreis des Gegenrads angibt.
Die Teilkreisfläche ist die rechte Seite des Teilkreises, während der Fußkreis den Raum zwischen den beiden Zahnflanken definiert. Der Fußkreis ist der Abstand zwischen der Zahnspitze und dem Teilkreis, und der Teilkreisdurchmesser sowie der Kopfkreis sind die beiden radialen Abstände zwischen diesen beiden Kreisen. Die Differenz zwischen Teilkreisfläche und Kopfkreis wird als Zahnflankenspiel bezeichnet.
Bei einem Eingriffswinkel von 20° darf die Zähnezahl des Stirnrads nicht unter 16 liegen. Ein Stirnrad mit 16 Zähnen kann jedoch verwendet werden, sofern seine Festigkeit und sein Eingriffsverhältnis innerhalb der Auslegungsgrenzen liegen. Hinterschneidungen lassen sich durch Profilverschiebung und Kopfkreismodifikation vermeiden. Alternativ kann die Kopfkreislänge auch durch eine positive Korrektur reduziert werden. Es ist jedoch zu beachten, dass Hinterschneidungen auch bei Stirnrädern mit negativem Kopfkreis auftreten können.
Ein weiterer wichtiger Aspekt eines Stirnrads ist sein Eingriff. Daher besitzt ein Standard-Stirnrad einen Eingriffskreis, den sogenannten Teilkreis. Der Achsabstand hingegen ist der Abstand zwischen den Mittelpunkten der beiden Zahnräder. Es ist wichtig, die grundlegende Terminologie des Zahnradsystems zu verstehen, bevor man mit einer Berechnung beginnt. Trotzdem ist es wichtig zu wissen, dass es möglich ist, den Eingriff eines Stirnrads mit demselben Bezugskreis herzustellen.

Teilkreisdurchmesser

Zur Bestimmung des Teilkreisdurchmessers eines Stirnrads müssen Antriebsart, Antriebsmaschine und Abtriebsmaschine angegeben werden. Der gewünschte Teilkreisdurchmesser wird ebenfalls definiert. Je kleiner der Teilkreisdurchmesser, desto geringer die Kontaktspannung am Ritzel und desto länger die Lebensdauer. Stirnräder werden mit einfacheren Verfahren als andere Zahnradtypen hergestellt. Der Teilkreisdurchmesser eines Stirnrads ist wichtig, da er den Eingriffswinkel, die Eingriffstiefe und die Gesamthöhe bestimmt.
Das Verhältnis von Teilkreisdurchmesser zu Zähnezahl wird als Teilkreis bezeichnet. Die Zähne werden in der axialen Ebene gemessen. Der Abrundungsradius ist die Kurve, die sich am Zahnfuß bildet. Vollzahnzähne sind solche, deren Eingriffstiefe dem 2,000-Fachen des normalen Teilkreises entspricht. Der Nabendurchmesser ist der Außendurchmesser der Nabe. Der Nabenüberstand ist der Abstand, um den die Nabe über die Zahnstirnfläche hinausragt.
Ein metrisches Stirnrad wird typischerweise mit einer Teilung (Diametralpitch) spezifiziert. Diese gibt die Anzahl der Zähne pro Zoll Teilkreisdurchmesser an und wird üblicherweise in Zoll angegeben. Die Normale schneidet die Zahnoberfläche an dem Punkt, an dem die Teilung angegeben wird. Bei einem Schrägverzahnungsrad verläuft diese Ebene senkrecht zum Teilkreiszylinder. Der Teilkreiszylinder steht im Allgemeinen senkrecht zur Außenkante der Helix.
Der Teilkreisdurchmesser eines Stirnrads wird üblicherweise in Millimetern oder Zoll angegeben. Eine Keilnut ist eine gefräste Nut auf der Welle, in die der Keil passt. In der Normalebene wird die Teilung in Zoll angegeben. Die Evolvententeilung, auch diametrale Teilung genannt, ist das Verhältnis der Zähnezahl zum Durchmesser in Zoll. Auch wenn dies kompliziert erscheinen mag, ist es eine wichtige Messgröße, um die Teilung eines Stirnrads zu verstehen.

Material

Der Hauptvorteil eines Stirnrads liegt in seiner Fähigkeit, die Biegespannung an den Zähnen unabhängig von der Belastung zu reduzieren. Ein typisches Stirnrad hat eine Zahnbreite von 20 mm und versagt bei einer Belastung von 3000 N. Dies übersteigt die Streckgrenze des Materials deutlich. Im Folgenden betrachten wir die Materialeigenschaften eines Stirnrads. Seine Festigkeit hängt von diesen Eigenschaften ab. Um herauszufinden, welches Stirnradmaterial für Ihre Maschine am besten geeignet ist, befolgen Sie die folgenden Schritte.
Das am häufigsten verwendete Material für Stirnräder ist Stahl. Es gibt verschiedene Stahlsorten, darunter duktiles Gusseisen und Edelstahl. S45C-Stahl ist der gebräuchlichste Stahl und hat einen Kohlenstoffgehalt von 0,451 TP5T. Dieser Stahl ist leicht erhältlich und wird zur Herstellung von Schräg-, Stirn- und Schneckenrädern verwendet. Seine Korrosionsbeständigkeit macht ihn zu einem beliebten Werkstoff für Stirnräder. Im Folgenden werden einige Vor- und Nachteile von Stahl aufgeführt.
Stirnräder bestehen aus Metall, Kunststoff oder einer Kombination dieser Materialien. Der Hauptvorteil von Metallstirnrädern liegt in ihrem günstigen Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. Sie sind etwa ein Drittel leichter als Stahl und korrosionsbeständig. Aluminium ist zwar teurer als Stahl und Edelstahl, lässt sich aber auch leichter bearbeiten. Dank seiner Konstruktion kann es problemlos an die jeweilige Anwendung angepasst werden. Seine Vielseitigkeit ermöglicht den Einsatz in nahezu jeder Anwendung. So finden Sie auch bei speziellen Anforderungen leicht ein passendes Stirnrad.
Die Konstruktion eines Stirnrads hat großen Einfluss auf seine Leistung. Daher ist die Wahl des richtigen Materials und die exakte Messung der Abmessungen unerlässlich. Neben der Leistungsfähigkeit sind Maßangaben auch für Qualität und Zuverlässigkeit von Bedeutung. Fachleute in der Branche müssen daher die Fachbegriffe zur Beschreibung der Materialien und Bauteile eines Zahnrads kennen. Darüber hinaus ist ein fundiertes Verständnis des Materials und der Maßangaben eines Zahnrads notwendig, um die Genauigkeit von Produktions- und Bestellaufträgen zu gewährleisten.

Bearbeitet von CX am 18.10.2023