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Kegelradgetriebe für eine präzise Kraftübertragung

Kegelradgetriebe für eine präzise Kraftübertragung

Umlaufrädergetriebe beziehungsweise Planetengetriebe, die für ihren Antrieb Zahnräder verwenden, sind bereits seit der Antike bekannt und werden heutzutage bevorzugt als Differenzialgetriebe verwendet. Das bisher älteste Zahnrad hingegen, ein Holzrad aus Altägypten, war bereits dreitausend Jahre vor unserer Zeit im Gebrauch. Zahnräder werden hauptsächlich zur Kraftübertragung zwischen zwei Drehungen oder einer Drehung und einer linearen Bewegung unter Berücksichtigung des sogenannten Verzahnungsgesetzes verwendet. Die für eine Drehbewegung notwendigen Zahnräder, die die Kraftübertragung zwischen zwei Achsen gewährleisten, sind formschlüssige und schlupffreie Maschinenelemente. Über eine Ausführung, das Kegelradgetriebe, erhältst du hier die wichtigsten Informationen.

Was ist ein Kegelrad und wie werden Kegelräder hergestellt?

Bei einem Kegelrad handelt es sich bildlich gesprochen um einen Kegelstumpf, dessen Mantelfläche verzahnt ist. Der Kegelstumpf besteht aus einer Grundfläche, einer Mantelfläche sowie einer Deckfläche. Die Symmetrieachse der kreisförmigen Grundfläche und Deckfläche bildet eine Verbindungsgerade durch deren Mittelpunkte. Werden Verbindungslinien zwischen den beiden Kegelflächen auf der Mantelfläche gebildet, werden diese Mantellinien genannt. Je nach Zahnlängsform erfolgt die Verzahnung auf einem Kegelrad wie folgt:

  • geradförmige Verzahnung
  • schrägförmige Verzahnung
  • bogenförmige Verzahnung

Verlaufen die Zähne in Richtung der Mantellinien, so wird dies geradförmige Verzahnung genannt und das Höhenprofil der Verzahnung bildet die Oktoidverzahnung. Kegelräder können präzise in Kegelradhobelmaschinen und Kegelradfräsmaschinen gefertigt werden.

Welche Arten von Zahnrädern gibt es?

Das Zahnrad als Maschinenelement dient der Kraftübertragung von Drehbewegungen von einer Welle auf eine andere Welle. Die Unterteilung der verzahnten Bauteile erfolgt anhand der Positionierung der Achsen zueinander. Es werden voneinander unterschieden:

  • Stirnrad
  • Kegelrad
  • Schnecke
  • Zahnstange

Stehen bei einem Stirnradgetriebe die Achsen der Zahnräder parallel zueinander, sodass die Räder homogen ineinander geradlinig oder schräg verzahnen und zudem gleichgestaltet sind, laufen die Achsen der Kegelräder eines Kegelradantriebes in einem 90-Grad-Winkel zueinander und sind ebenfalls homogen. Bei einem Schneckengetriebe wird die Bewegungskraft eines Rades auf die Achse einer Schnecke übertragen, einem Zylinder mit einem schraubenförmig angeordneten Zahn. Die Zahnstange ist eine Stange mit parallel angeordneten Zähnen, die durch ein Zahnrad angetrieben werden. Diese Getriebe werden zumeist in Zahnradbahnen verwendet.

Was ist ein Kegelradgetriebe?

Das Kegelradgetriebe ist ein Winkelgetriebe, das die Bewegungskraft von zwei sich schneidenden Wellen überträgt. Die Achsen dieser Wellen sind in der Regel rechtwinklig zueinander angeordnet, es gibt jedoch auch Ausnahmen. Die Achsen der An- und Abtriebswelle bilden somit einen gemeinsamen Schnittpunkt. Ist dies nicht der Fall, zum Beispiel bei einem Achsversatz, spricht man von einem Kegelradschraubgetriebe. Bei der Herstellung von Kegelradgetrieben können verschiedene Metalle, Metalllegierungen sowie nichtmetallische Materialien verwendet werden. Die Materialauswahl ist dabei abhängig von der Verwendung und richtet sich nach der Verschleissfestigkeit und Stossfestigkeit des Materials.

Wie funktioniert ein Kegelradgetriebe (Winkelgetriebe)?

Die Anordnung der Zähne eines Kegelrades wird in einem Kegelradgetriebe durch eine zumeist rechtwinklige Anordnung der Antriebs- und Abtriebswelle zueinander verwirklicht. Je nach Einbausituation der Kegelräder kann die Drehrichtung der Räder sowohl gleichsinnig als auch gegensinnig erfolgen. Geradverzahnte und schrägverzahnte Kegelradgetriebe besitzen gegenüber anderen Kegelradgetrieben eine geringere Laufruhe sowie ein geringeres direkt übertragbares Drehmoment. Bei der Verwendung von Kegelradgetrieben mit Planetengetrieben wird in der Regel eine Übersetzung von 1:1 realisiert, um die Drehmomente zu maximieren. Mit der Verwendung von Spiralkegelrädern werden hingegen die Laufruhe und das Drehmoment eines Getriebes gesteigert.

Welche Vor- und Nachteile haben Kegelradgetriebe?

Die in verschiedenen Baugrössen erhältlichen Kegelradgetriebe sind eine kostengünstige Alternative zu den teuren Hypoidgetrieben, einem Winkelgetriebe, dessen Achsen des Antriebs- und Abtriebsrades (Tellerrad) gegenüber einem normalen Kegelradantrieb versetzt sind und sich somit nicht schneiden. Der Hypoidantrieb ist vor allem aufgrund seiner hohen Belastbarkeit und Platzersparnis der überwiegend verwendete Antrieb im Differenzialgetriebe von Kraftfahrzeugen. Die Verwendung von Winkelgetrieben ist somit ihrer Bauform und Materialwahl geschuldet und findet letztendlich in nahezu jeder Maschine Gebrauch, in der Kräfte und Bewegungen winklig oder zyklisch übertragen werden müssen, wie etwa in Roboterarmen oder Kupplungen. Die Vorteile des Kegelantriebs sind:

  • Platzersparnis
  • kompakte Bauweise
  • Kombination mit anderen Getriebearten
  • hohe Drehzahlen möglich
  • relativ kostengünstig

Seine Nachteile umfassen:

  • Komplexität im Aufbau
  • Wirkungsgrad niedriger als Planetengetriebe
  • geringe Laufruhe
  • niedrige Drehmomente bei einstufiger Übersetzung

Was ist ein Planetengetriebe?

Planetengetriebe sind sogenannte Umlaufräder- oder Zahnradgetriebe, die neben einer feststehenden Mittelachse Wellen und Lager besitzen, die sich kreisförmig (wie die Planeten um die Sonne) um diese Achse bewegen. In einem Umlaufradgetriebe können verschiedene Zahnräder zum Einsatz kommen. Eine besondere Bauart des Planetengetriebes ist das Kegelrad-Differenzialgetriebe.

Bei Umlaufrädergetrieben handelt es sich somit um Präzisionsgetriebe, die je nach Wellenbetrieb (Summiergetriebe) für verschiedene Antriebstechniken und Übersetzungen geeignet sind. Dazu gehören die Nabenschaltungen eines Fahrrads, Kupplungen oder der Radnabenmotor von Elektromobilen.

Warum werden Getriebe, etwa in der Antriebstechnik, in einem Gehäuse untergebracht?

Die Ausführung von Kegelradgetrieben erfolgt entweder in einem Radiallager oder Axiallager mit Schmierung, um die Reibung und somit die Wärmebildung zu reduzieren. Dazu werden die Lager oder Getriebemotoren mit einem Gehäuse ummantelt, in denen ein Schmiermittel direkt an die Kegelradpaare herangeführt werden kann. Das Gehäuse dient ausserdem dazu, eine stete Schmierung zu garantieren, ohne dass das Schmiermittel verloren geht. Üblicherweise werden dazu synthetische Öle verwendet.

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