Kegelradgetriebe

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Kegelradgetriebe mit Ritzel (links) und Tellerrad (rechts)

Kegelradgetriebe sind eine Getriebe-Bauform. Sie dienen zum Übertragen von Drehbewegungen und Drehmomenten. Charakteristisches Merkmal sind die winklig zueinander stehenden An- und Abtriebswellen, deren Achsen einen gemeinsamen Schnittpunkt besitzen. Die Kraftübertragung erfolgt durch Kegelräder. Bei Achsversatz spricht man auch von Kegelradschraubgetrieben (entspricht Hypoidgetrieben).

Bei Kegelradschraubgetrieben ist der Gleitanteil während der Drehbewegung höher als bei Kegelradwälzgetrieben. Das heißt, die Zähne wälzen und gleiten ab. Das Gleiten kommt durch Relativbewegungen der Berührungsflächen des Kegelrades und Kegelritzels zustande. Diese Wälz- oder Gleitbewegung bei Hypoidkegelradgetrieben begünstigt höhere Übersetzungsverhältnisse und entsprechend bessere Wirkungsgrade beim Anfahren im Vergleich zum Schneckengetriebe.

Aufbau und Anwendung[Bearbeiten]

Ein Kegelradgetriebe besteht aus einem Kegelrad (oft Tellerrad) und aus einem Kegelritzel. Die Achsen sind häufig 90° versetzt, andere Winkel sind möglich. Einsatzgebiete dieser Winkelgetriebe sind dort, wo hohe Untersetzungen, Drehmomente und Bewegungen gefragt sind. Meist erfolgt der Antrieb über das Kegelritzel, linke und rechte Drehrichtungen sind möglich.

Das Übersetzungsverhältnis ist der Quotient der Zähnezahl z2 des Kegelrades durch die Zähnezahl z1 des Kegelritzels. Eine Selbsthemmung wie bei Schneckengetrieben kommt nicht vor. Kegelradgetriebe werden als Leistungsgetriebe in Pressen, Walzwerken, Werkzeugmaschinenbau sowie in der Automation eingesetzt, überall dort, wo Bewegungen und Kräfte winklig übertragen werden.

Arten von Kegelradgetrieben[Bearbeiten]

Berechnungsbasis von Kegelradsätzen

Das Zahnhöhenprofil aller Kegelradsätze basiert auf einer Oktoide, während das Zahnhöhenprofil von Stirnrädern auf einer Evolvente basiert.

Grundformen von Kegelradsätzen mit dem Unterscheidungsmerkmal der Flankenleitlinie
  • Geradverzahnungen: die Flankenlinien der Planradverzahnung sind Geraden, die durch die Planradmitte gehen.
  • Schrägverzahnungen: die Flankenlinien sind Geraden. Sie bilden einen Kreis um die Planradmitte.
  • Bogenverzahnungen: die Flankenlinien bilden Kurven. Die Flankenlinien können beispielsweise Kreisbögen, Evolventen oder Zykloiden sein.[1]. Kreisbogen Circular Arc = Gleason und Kurvex, Epizykloide = Klingelnberg Zyklo-Palloid(R), Evolvente = Klingelnberg Palloid(R)

Geradverzahnte Kegelräder[Bearbeiten]

Das Geradzahnkegelrad als Maschinenelement wird schon um 1780 erwähnt, die ersten Patente wurden um 1876 an William Gleason erteilt. Geradzahnkegelräder haben trotz der Einengung ihres Einsatzbereiches noch ein weites Feld für die Verwendung. Die Grenzen ihres Einsatzes sind die Umfangsgeschwindigkeit, das Geräusch und die übertragbare Leistung. Die Grenze der Umfangsgeschwindigkeit wird allgemein mit 8 m/s genannt. Das Geräusch und die übertragbare Leistung stehen mit dem Überdeckungsgrad in engem Zusammenhang. Im Gegensatz zu den Spiral- und Hypoidkegelrädern resultiert der Überdeckungsgrad bei Geradzahnkegelrädern nur aus dem reinen Profilüberdeckungsgrad. Dieser bewegt sich - je nach Übersetzungsverhältnis - zwischen 1 und 1,7 bei großen Zähnezahlen. Beim ursprünglichen Geradzahnkegelrad war die Längsrichtung des Zahnes geradlinig. Dieser Zahnverlauf hatte zur Folge, dass bei geringsten Abdrängungen der Achsen sich das Zahntragen sofort innen, außen, am Zahnkopf oder -fuß konzentrierte. Hierdurch wird das Geräusch wesentlich verstärkt und die Zahnbelastbarkeit auf ein Minimum herabgesetzt.

Durch die geometrische Anordnung der Werkzeuge entsteht der längsballige Zahn. Die Größenordnung der Längsballigkeit kann durch Einsatz von Werkzeugen mit unterschiedlichen Eingriffswinkeln variiert werden. Bei der Auslegung eines Geradzahnkegelradsatzes muss, da es sich um eine abgewälzte Verzahnung handelt, auf das Übersetzungsverhältnis, die Mindest-Zähnezahlen und den Eingriffswinkel Rücksicht genommen werden. Für den möglichen Unterschnitt ist die Mindest-Zähnezahl und der Eingriffswinkel verantwortlich.

Als Eingriffswinkel sind für diese Verzahnung 14° 30’, 17° 30’, 20°, 22° 30’ und 25° üblich.

Schrägverzahnte Kegelräder[Bearbeiten]

Das Schrägzahnkegelrad wird wie das Geradzahnkegelrad konstruiert und gefertigt mit einem Unterschied: Die Flankenlinien tangieren einen Kreis um die Planradmitte. Ansonsten hat die vorne gemachte Aussage für das Geradzahnkegelrad auch ihre Richtigkeit.

Bei Geradzahn-Stirnrädern tritt als Resultierende der Umfangskraft eine Komponente als Radialbelastung auf, die in ihrer resultierenden Lage lediglich durch den Eingriffswinkel bestimmt wird. Neben dieser Radialkraft, die also senkrecht zur Achse wirkt, besteht keine Kraft, die parallel zur Achse, also in Achsrichtung, gerichtet ist. Wenn dieses Geradzahn-Stirnrad einen zusätzlichen Zahnschrägungswinkel erhält und man von einem Schraubenrad oder einem Schrägzahn-Stirnrad spricht, bewirkt dieser Zahnschrägungswinkel neben der Radialkraft noch eine Komponente in Achsrichtung. Werden diese Verhältnisse auf ein Kegelrad übertragen, so resultiert aus dem zu übertragenden Drehmoment eine Komponente in radialer Richtung - also senkrecht zur Achse - und eine Komponente in axialer Richtung. In die Rechnung zur Ermittlung der Radial- und Axialkraft geht der Eingriffswinkel der Verzahnung, die Winkelfunktion des Kegelwinkels und somit das Übersetzungsverhältnis ein. Da die beiden Grund- oder Ausgangswerte für diese Rechnung für beide Drehrichtungen die gleichen sind, bleibt auch die Größe und Richtung dieser Kräfte konstant.

Bogenverzahnte Kegelräder (Spiral- und Hypoidkegelrad)[Bearbeiten]

Das Spiralkegelrad[Bearbeiten]

Bei den Geradzahnkegelrädern wurde erwähnt, dass der Gesamt-Überdeckungsgrad der Verzahnung im Stirnschnitt lediglich aus dem Profilüberdeckungsgrad besteht. Für das geradverzahnte Kegelrad ist der Stirnschnitt gleich dem Normalschnitt. An dieser Stelle soll nochmals daran erinnert werden, dass das Geräuschverhalten einer Kegelradverzahnung auf die Größe des Überdeckungsgrades bezogen werden kann. Bei Spiralkegelrädern setzt sich der Gesamt-Überdeckungsgrad aus dem Profilüberdeckungsgrad und der Sprungüberdeckung zusammen. [2] Da mit Vergrößerung des mittleren Spiralwinkels die Sprungüberdeckung zunimmt, lässt sich also durch Änderung des Spiralwinkels bei gleichbleibendem Eingriffswinkel der Gesamt-Überdeckungsgrad wesentlich verändern.

Der Anwendungsbereich von Spiralkegelrädern setzt dort ein, wo Geradzahn- Kegelräder bzw. Schrägzahnkegelräder die gestellten Forderungen nicht mehr erfüllen können. Bei Geradzahnkegelrädern wurden drei Faktoren erwähnt, die den Einsatz dieses Rädertyps begrenzen. Es waren die Umfangsgeschwindigkeit, das Geräusch und die übertragbare Leistung.

Bei der Betrachtung des Geräuschverhaltens bleibt man beim Spiralwinkel, der, wie schon erwähnt, die Größe des Gesamt-Überdeckungsgrades maßgebend beeinflusst. Geräuschuntersuchungen an Stirnrädern haben gezeigt, dass bei einer Erhöhung des Gesamt-Überdeckungsgrades von 1 bis etwa 2,5 ein ständiges Absinken des Geräuschpegels zu verzeichnen war. Interessant ist hierbei die Feststellung, dass eine weitere Vergrößerung des Überdeckungsgrades über 2,5 hinaus auf etwa 3 oder 4 keine weitere Geräuschminderung brachte. Mit gewissen Einschränkungen lassen sich die Verhältnisse der Überdeckung auf Kegelräder übertragen.

Wenn als nächstes die übertragbare Leistung behandelt wird, stellt man fest, dass auch diese durch die Veränderung des Gesamt-Überdeckungsgrades beeinflussbar ist. Bei der Festigkeitsberechnung der Kegelradverzahnung geht die Größe des Überdeckungsgrades in die Rechnung ein. Hieraus können wir sagen, dass bei gleichen Radabmessungen und gleichem zu übertragendem Drehmoment durch Veränderung des Spiralwinkels die spezifische Belastung in Bezug auf die Zahnfußbiegespannung reduziert werden kann. Somit lässt sich zusammenfassend feststellen, dass der Vorteil der Spiralkegelräder gegenüber den Geradzahn- und Schrägzahnkegelrädern durch größere erreichbare Umfangsgeschwindigkeit, besseres Geräuschverhalten und höhere zu übertragende Leistung charakterisiert wird.

Durch die hier aufgeführten Vorteile des Spiralkegelradsatzes wird der Anwendungsbereich solcher Kegelräder naturgemäß sehr groß. Die Antriebsachsen von Automobilen und anderen Fahrzeugen wären bei den heutigen Geschwindigkeiten ohne diese Spiralkegelräder nicht mehr denkbar. Der Werkzeugmaschinenhersteller bedient sich vorwiegend dieses Maschinenelementes, da die Schnittgeschwindigkeiten in der mechanischen Fertigung und somit die Spindeldrehzahlen in den letzten Jahren wesentlich erhöht wurden. Auf dem Sektor der stationären Getriebe, die dem allgemeinen Maschinenbau hinzugerechnet werden, wird überwiegend der Spiralkegelradsatz verwendet.

Das Hypoidkegelrad[Bearbeiten]

Hypoidkegelräder sind eine Form der Spiralkegelräder. Der grundsätzliche Unterschied besteht darin, dass die Ritzel- und Tellerradachsen nicht in einem Punkt zusammenlaufen, das heißt die Ritzelachse ist gegenüber der Radachse in der Höhe versetzt. Dieser Versatz wird Achsversetzung genannt. Die Achsversetzung sollte für Pkw- und leichte Lkw-Achsgetriebe 40 % und für Lkw, Schlepper, Autobusse und Schienenfahrzeuge einen Grenzwert von 20 % der Außenkegeldistanz nicht überschreiten.

Zur Bestimmung der Lage der Achsversetzung muss hierfür eine eindeutige Definition getroffen werden. Wie in Bild A dargestellt, soll man ein Hypoid-Getriebe in der Weise betrachten, dass beim Blick auf die Tellerradverzahnung das Ritzel nach rechts gedreht wird und man hierbei bestimmt, ob das Ritzel über oder unter Mitte versetzt ist. [3]

Die Vorteile des Hypoidkegelradsatzes lassen sich wie folgt zusammenstellen: [2]

  • Durch die Achsversetzung bekommt das Ritzel einen größeren Spiralwinkel als das Tellerrad. Der sich aus dem größeren Spiralwinkel ergebende größere Stirnmodul hat eine Vergrößerung des Teilkreisdurchmessers des Hypoid-Ritzels zur Folge. Hierdurch lässt sich wiederum eine höhere Belastbarkeit eines Hypoid-Getriebes gegenüber einem Spiralkegelradsatz nachweisen. Somit reduzieren sich die Flächenpressungen auf den Zähnen.
  • Durch die im ersten Punkt erwähnte Vergrößerung des Spiralwinkels des Ritzels wird der Überdeckungsgrad der Verzahnung erhöht. Somit können bei gleichen Dimensionen höhere Übersetzungen realisiert werden als bei Spiralverzahnungen.
  • Durch die Achsversetzung kann/muss in den meisten Fällen konstruktiv noch ein zusätzliches Lager für das Ritzel vorgesehen werden. Hierdurch werden die Abdrängungswerte als relative Bewegung der Ritzel- und der Tellerradachse zueinander wesentlich verbessert.

Hypoidkegelräder werden neben dem allgemeinen Maschinenbau hauptsächlich in der Automobilindustrie verwendet. Es sollte nicht unerwähnt bleiben, dass durch die Achsversetzung ein zusätzliches Gleiten der Verzahnung in Zahnlängsrichtung eintritt. Dieses zusätzliche Längsgleiten ist kein Nachteil, jedoch muss für die Schmierung ein Hochdrucköl verwendet werden,

Herstellung von Kegelrädern[Bearbeiten]

Die verschiedenen Materialien, die für die Herstellung von Kegelrädern verwendet werden, umfassen eine Vielzahl von Gusseisen, NE-Material und nichtmetallischen Materialien.

Die Auswahl des Materials hängt von verschiedenen Faktoren und Betriebsbedingungen ab:

  • Art der Leistung
  • Umfangsgeschwindigkeit
  • Grad der erforderlichen Genauigkeit
  • Verfahren zur Herstellung
  • gewünschte Größe und Gewicht des Antriebs
  • zulässige Spannung
  • Stoßfestigkeit
  • Verschleißfestigkeit

Folgende Werkstoffe kommen in Frage:

  1. Gusseisen besitzt gute Trageigenschaften, lässt sich leicht bearbeiten und in spezielle Formen gießen. Es ist geeignet, wenn große Zahnräder von komplizierten Formen benötigt werden.
  2. Stahl ist ausreichend stark und sehr widerstandsfähig gegen Verschleiß durch Abrieb.
  3. Stahlguss wird für hohe Belastungen und schwierige Herstellung der Kegelräder verwendet.
  4. Vergütungsstähle finden Anwendung für industrielle Getriebe, die eine hohe Zähigkeit bei hoher Festigkeit erfordern.
  5. Wärmebehandelte Stähle (wie Einsatz- oder Nitrierstähle) werden dort eingesetzt, wo sehr hohe Zahnfestigkeit und eine sehr geringe Abnutzung der Zähne erforderlich ist.
  6. Aluminium wird dort eingesetzt, wo geringe Trägheit der rotierenden Masse gewünscht wird.
  7. Kegelräder aus nichtmetallischen Materialien geben geräuschlosen Betrieb bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten.

Anwendungen[Bearbeiten]

Das Winkelgetriebe hat viele verschiedene Anwendungen wie Lokomotiven, maritime Anwendungen, Automobile, Druckmaschinen, Automation, Maschinenbau, Stahlwerke, Fördertechnik oder Prüfstände. Überall dort, wo Kraft und Bewegung winklig übertragen werden, ein hoher Wirkungsgrad bei Zyklen-Betrieb notwendig ist sowie wartungsarme Anwendungen gewünscht werden.

Kegelradgetriebe in einer Baumaschinenachse
Beispiele

Kegelräder in Differentialgetriebe, das heißt zwei Achsen drehen sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, wie sie bei der Kurvenfahrt eines Fahrzeugs vorkommen. Kegelräder werden als wichtigster Mechanismus für Handbohrmaschinen verwendet. Während der Griff des Bohrers in einer vertikalen Richtung gedreht wird, drehen sich die Kegelräder des Spannfutters horizontal. Die Kegelräder in einer Handbohrmaschine haben den zusätzlichen Vorteil einer Erhöhung der Drehzahl des Spannfutters, und dies macht es möglich, eine Reihe von unterschiedlichen Materialien zu bohren.

Spiralkegelräder sind wichtige Komponenten für rotierende Antriebssysteme. Diese Komponenten sind erforderlich, wenn mit hoher Geschwindigkeit, hoher Belastung und für eine große Anzahl von Lastwechseln etwas betrieben werden soll. Das wird beispielsweise angewendet, um die Welle eines horizontalen Gasturbinentriebwerks zum vertikalen Rotor umzuleiten. Auch bei Drehtischen von Werkzeugmaschinen findet dies Anwendung.

Hypoidkegelräder findet man sehr häufig in der Robotik und Automation. Auch als Vorstufen bei Roboterarme mit Robotergetrieben. Hypoid- Kegelräder haben häufig einstufig eine hohe Übersetzung und geringes Gewicht.[2]

Schmierung[Bearbeiten]

Um Reibung und Wärme zu verhindern sowie den Schutz vor Korrosion zu gewähren, werden unterschiedliche Schmierungsarten bei Kegelradgetrieben gewählt:

Fettschmierung
Fettschmierung wird bei Langsamläufen oder Stellantrieben verwendet.
Tauchschmierung
Das Kegelrad läuft im Tauchbad.
Umlaufschmierung
Schmiermittel wird gezielt an das Kegelradpaar herangeführt. Geschmiert wird meist mit synthetischen Ölen. Mineralische Öle kommen auch noch zum Einsatz.[1]

Anforderungen an die Konstruktion[Bearbeiten]

Bei langsam drehenden Kegelradwälzgetrieben reichen meist Radiallager aus. Bei Kegelradschraubgetrieben (Hypoid) entstehen zusätzlich auch Axialkräfte oder Bewegungen, die mit Axiallagern aufgefangen werden müssen. Die Kegelradpaare sind meist aus gehärtetem Stahl gefertigt. Hohe Belastungen und Verschleißarmut sind erwünscht. Um das Geräuschverhalten zu verbessern und den Verschleiß der Zahnflanken möglichst gering zu halten, muss das Kegelrad über Software-Programme berechnet, der Traganteil optimiert und das Tragbild eingestellt werden.

Weiterhin muss die Steifigkeit bzw. Durchbiegung der Kegelräder berücksichtigt werden. Die Lagerung (evtl. elastisch und winkelausgleichend) muss den Gegebenheiten angepasst werden.

Siehe auch[Bearbeiten]

  • Kronenräder bieten eine alternative Möglichkeit, Winkeltriebe zu realisieren
  • Zahnrad: Darstellung verschiedener Verzahnungstypen

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Kegelradgetriebe – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. a b G. Niemann, H. Winter: Maschinenelemente. Band III: Schraubrad-, Kegelrad-, Schnecken-, Ketten-, Riemen-, Reibradgetriebe, Kupplungen, Bremsen, Freiläufe. Springer, Berlin 1986, ISBN 3-540-10317-1.
  2. a b c H. J. Stadtfeld: Theorie und Praxis der Spiralkegelräder. Selbstverlag, 1993, ISBN 1-063-61557-7.
  3. Josef Dillinger: Europa Lehrmittel: Fachkunde Metall. Europa-Lehrmittel; 56. Auflage 2010, ISBN 978-3-8085-1158-9.

Literatur[Bearbeiten]