Ein Stirnradgetriebe ist ein zylindrisches Zahnrad mit geraden, evolventenförmigen Zähnen, die parallel zur Wellenachse verlaufen. Es überträgt Bewegung und Kraft zwischen zwei parallelen Wellen und kann sowohl radiale als auch tangentiale Lasten aufnehmen, ohne axialen Schub zu erzeugen. Stirnradgetriebe sind bekannt für ihre einfache Konstruktion, ihren hohen Wirkungsgrad und ihre niedrigen Produktionskosten und gehören zu den am weitesten verbreiteten Arten von Zahnrädern in mechanischen Systemen.
Wie funktionieren Stirnräder?
Stirnräder funktionieren, indem die Zähne des Antriebszahnrads mit denen des angetriebenen Zahnrads ineinander greifen. Hier sind die Schritte, die die Funktionsweise eines Stirnrads veranschaulichen:
Zähne Kontakt
Wenn zwei Stirnräder nebeneinander angeordnet sind, berühren sich ihre Zähne entlang der Stirnfläche des Zahnrads. Dabei drücken die Zähne des Antriebszahnrads gegen die Zähne des angetriebenen Zahnrads.
Kraft- und Rotationsübertragung
Die Krafteinwirkung des Antriebszahnrads überträgt das Drehmoment auf das angetriebene Zahnrad, das tangential zum Grundkreis des Zahnrads steht. Dadurch drehen sich beide Zahnräder in entgegengesetzte Richtungen, wobei ihre Winkelgeschwindigkeit konstant bleibt.
Drehmoment- und Drehzahleinstellung
Drehmoment und Drehzahl der rotierenden Stirnräder hängen vom Verhältnis der Zähnezahl der angetriebenen und treibenden Zahnräder ab.
- Ein größeres angetriebenes Zahnrad führt zu einer langsameren Drehung, aber einem höheren Drehmoment.
- Ein kleineres angetriebenes Zahnrad führt zu einer schnelleren Drehung, aber einem geringeren Drehmoment.
Arten von Stirnrädern
Externes Stirnrad
Bei einem Außenstirnrad befinden sich die Zähne am Außendurchmesser des Zahnrads. Die Zähne zweier Außenzahnräder greifen ineinander und drehen sich in entgegengesetzte Richtungen. Dabei wird das größere Zahnrad als Rad und das kleinere als Ritzel bezeichnet.
Innenverzahntes Stirnrad
Ein Innenstirnrad ist eine Zahnradart, bei der die Zähne in den Innendurchmesser des Zahnrads eingearbeitet sind. Diese Zahnräder arbeiten üblicherweise mit Außenzahnrädern zusammen, beispielsweise in Planetengetrieben. Das größere Zahnrad wird hier als Ringrad bezeichnet, das kleinere als Ritzel.
Bei Innenverzahnungen drehen sich Antriebs- und Abtriebszahnrad in die gleiche Richtung. Wenn ein Innenzahnrad mit einem Außenzahnrad kämmt, entsteht eine große Kontaktfläche, was zu geringerer Belastung und höherer Drehmomentübertragung führt. Der Zahneingriff der Innenverzahnung ist stabiler, wodurch weniger Rutschen auftritt und sie sich für hochbelastbare Lager eignet.
Werkstoffe für Stirnräder
Kunststoff
Stirnräder können aus Kunststoffen wie Acetal und Nylon hergestellt werden. Diese Zahnräder sind leicht, geräuschlos und korrosionsbeständig. Zahnräder aus solchen Materialien eignen sich für Anwendungen mit niedriger Drehzahl und geringer Belastung.
Edelstahl
Edelstahl wird zur Herstellung von Zahnrädern für Umgebungen mit geringer Belastung verwendet, in denen Korrosionsbeständigkeit eine wichtige Rolle spielt. Er ist jedoch keine häufige Wahl, da er im Vergleich zu anderen Materialien weniger hart und verschleißanfälliger ist.
Gusseisen Kochgeschirr
Gusseisen ist eines der am häufigsten verwendeten Materialien für die Herstellung von Stirnrädern. Gusseisen lässt sich relativ leicht bearbeiten und ist kostengünstig, allerdings ist es im Vergleich zu Stahl spröder.
Aluminiumlegierung
Aluminiumlegierungen werden zur Herstellung von Zahnrädern verwendet, bei denen ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht erforderlich ist, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrtindustrie.
Pulvermetallurgische Materialien
gemeinsam pulvermetallurgische Materialien Für Stirnräder werden eisenbasierte Metallpulver verwendet. Typische Sorten sind FC-0205 (Fe-Cu), FN-0205 (Fe-Ni) und FD-0205 (diffusionslegiertes Fe-Cu-Ni).
Wofür werden Stirnräder verwendet?
Automobilindustrie
Stirnräder werden in Kraftfahrzeugen zur Kraftübertragung vom Motor auf die Räder eingesetzt. Sie sind häufig zu finden in:
Zahnstangen-Ritzel-System
Eine wichtige Anwendung von Stirnrädern sind Zahnstangen- und Ritzelsysteme, um Drehbewegungen in lineare Bewegungen umzuwandeln. Das Zahnstangen- und Ritzel-Stirnradsystem besteht aus zwei Hauptteilen: dem Ritzel, einem runden Zahnrad, und der Zahnstange, einem flachen, geraden Zahnrad mit Zähnen. Wenn sich das Ritzel dreht, greifen seine Zähne in die Zähne der Zahnstange ein, wodurch sich die Zahnstange geradlinig bewegt. Diese Stirnräder werden häufig in Fahrzeuglenksystemen eingesetzt.
- In manuellen und automatischen Getrieben dienen sie zur Änderung von Drehzahl und Drehmoment.
- In Differentialgetrieben ermöglichen sie es den Rädern, sich beim Wenden mit unterschiedlicher Geschwindigkeit zu drehen.
- Servolenkungssysteme
Luft- und Raumfahrt
In der Luft- und Raumfahrt werden Stirnräder in Triebwerken eingesetzt, um die Bewegung verschiedener Teile zu steuern. Darüber hinaus kommen sie auch im Fahrwerk von Flugzeugen zum Einsatz.
Stromerzeugungsmarkt
Stirnräder spielen eine entscheidende Rolle bei der Stromerzeugung, indem sie die Übertragung mechanischer Energie auf den Generator unterstützen, beispielsweise in Windkraftanlagen oder Dampfturbinen.
Industriemaschinen
Stirnräder werden auch in vielen schweren Industriegeräten wie Getrieben, Kompressorsystemen und Mühlen eingesetzt.
Wie werden Stirnräder hergestellt?
Hier sind einige Gemeinsamkeiten Herstellungsprozess von Zahnrädern für Stirnräder:
Fräsen
Bei diesem Verfahren werden die Stirnräder hergestellt, indem die Zähne mithilfe einer Fräsmaschine und eines dem Zahnprofil entsprechenden Formfräsers direkt in einen Zahnradrohling geschnitten werden. Dazu wird der Zahnradrohling auf einem Teilkopf fixiert. Dieser Kopf dreht ihn jeweils um eine Zahnteilung, während der Fräser jeden Zahn formt. Dieses Verfahren eignet sich hervorragend für Kleinserien, Prototypen und Sonderanfertigungen.
Wälzfräsen
Wälzfräsen dient zur Herstellung präziser und effizienter Stirnräder in verschiedenen Größen und Anwendungen. So werden Stirnräder hergestellt:
- Eine Zahnrad-Wälzfräsmaschine umfasst zwei abgewinkelte Spindeln: eine für das rotierende Schneidwerkzeug (den Wälzfräser) und eine andere für den Zahnradrohling.
- Zunächst wird der Winkel zwischen den beiden Spindeln je nach zu fertigender Zahnradart, beispielsweise bei Stirnrädern, angepasst.
- Nun werden Wälzfräser und Zahnradrohling mit einem synchronisierten Drehzahlverhältnis gedreht, das der gewünschten Zahnradgeometrie entspricht.
- Während sich der Wälzfräser dreht und in den Rohling eindringt, schnitzt er nach und nach Zahnräder mit der richtigen Form und Tiefe heraus.
Pulvermetallurgie (PM)
Sie können Stirnräder effizient herstellen mit dem Pulvermetallurgie-ProzessZunächst wird Metallpulver mithilfe von Ober- und Unterstempeln in eine Matrize gepresst, um die Zahnradform zu formen. Das verdichtete Teil, der sogenannte Grünling, wird anschließend bei hohen Temperaturen gesintert, um die erforderliche Festigkeit und Materialeigenschaften zu erreichen.
Im Vergleich zur Bearbeitung Pulvermetallurgie Zahnräder erreichen eine viel höhere Materialausnutzungsrate von etwa 95 %, während bei der herkömmlichen Bearbeitung typischerweise nur etwa 70 % erreicht werden.
Das PM-Verfahren ist eine ideale Methode zur Herstellung von Stirnrädern mit engen Toleranzen, gleichbleibender Qualität und geringem Produktionsabfall, insbesondere für die Großserienproduktion.
Schmieden
Schmieden ist ein Fertigungsverfahren zur Herstellung von Zahnrädern, bei dem das Bauteil hoher Hitze und hohem Druck ausgesetzt wird, um die gewünschte Form zu erreichen. Dieses Verfahren wird sowohl für Zahnradrohlinge als auch für Zahnräder verwendet. Mit diesem Verfahren hergestellte Zahnräder bieten hohe Festigkeit und Dauerfestigkeit. Für eine präzise Endbearbeitung können jedoch zusätzliche Bearbeitungen erforderlich sein. Dieses Verfahren eignet sich zur Herstellung von Stirnrädern für Hochleistungsanwendungen.
Kaltumformung
Die Kaltumformung zählt aufgrund ihrer hohen Produktionsraten zu den kostengünstigsten Verfahren zur Zahnradherstellung. Sie ist ein vielseitiges Verfahren zur Massenproduktion von Stirnradelementen.
Bei diesem Verfahren wird ein Metallstab (Rohling genannt) durch eine Reihe von Matrizen gezogen (gezogen) oder gepresst (extrudiert). Die fertige Matrize weist die exakt gewünschte Zahnform auf.
Während sich der Stab durch die Matrizen bewegt, wird er unter hohem Druck komprimiert und neu geformt.
Vorteile von Stirnrädern
- Stirnräder haben eine einfache Konstruktion, die ihre Herstellung und Wartung erleichtert.
- Diese sind aufgrund ihrer einfachen Konstruktion und der leichteren Bearbeitung im Vergleich zu Schrägverzahnungen kostengünstig.
- Stirnradgetriebe weisen einen hohen Wirkungsgrad (typischerweise zwischen 95 und 99 %) bei minimalem Leistungsverlust auf.
- Diese Zahnräder haben aufgrund eines konstanten Geschwindigkeitsverhältnisses eine gleichmäßige Bewegung.
- Diese Getriebe sind zuverlässig und langlebig, wenn sie unter geeigneten Bedingungen betrieben werden.
- Stirnräder sind aufgrund des direkten Zahnkontakts und ihrer robusten Bauweise besonders bei mittleren Drehzahlen hoch belastbar.