Kronenrad

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Dieser Artikel befasst sich mit einer speziellen Verzahnungsform von Zahnrädern; zum Kronrad als Teil der Hemmung in Taschenuhren siehe Hemmung (Uhr).
Kronenrad (rechts unten) im Getriebe einer historischen Mühle

Das Kronenrad ist ein spezielles Zahnrad und Teil eines Kronenradgetriebes. Kronenradgetriebe dienen zum Übertragen von Drehbewegungen und Drehmomenten. Charakteristisches Merkmal sind die winklig zueinander stehenden An- und Abtriebswellen, deren Achsen meistens einen gemeinsamen Schnittpunkt besitzen.

Für Kronenradgetriebe gibt es ähnliche Einsatzbereiche wie für Kegelradgetriebe.

Geschichte[Bearbeiten]

Schemazeichnung einer Wassermühle, von oben gesehen:
1 - Wasserrad
2 - Antriebswelle
3 - Kammrad
4 - Kronenrad
5 - Königswelle

In früheren Zeiten fehlten die Berechnungsgrundlagen und -möglichkeiten, um Drehbewegungen mit Verzahnungen gleichförmig zu übertragen. Die in dieser Zeit entstandenen Verzahnungen werden teilweise als Kronenrad bezeichnet. Die dabei verwendete Triebstockverzahnung bleibt weit hinter der Leistungsfähigkeit einer modernen Evolventenverzahnung zurück und überträgt nicht gleichförmig, ist aber technisch einfach und auch in Holz realisierbar.

Ihre Anwendung ist heute noch in historischen Mühlen zu sehen, wo das Kronenrad in das Kammrad eingreift und die Königswelle antreibt.

In den 1940er Jahren wurden Kronenräder entwickelt, die ein gleichförmige Bewegungsübertragung erlaubten und beispielsweise für Hinterachsmodule[1] eingesetzt, die aus Hypoidsatz (konventionell) und Differential (Kronenrad) bestanden.

Die Wiederentdeckung des Kronenrades (gelegentlich auch Kronrad genannt) für technische Anwendungen begann in den 1990er Jahren als Alternative zu Kegelrädern, als Fertigungs- und Berechnungsverfahren zur Verfügung standen, um Kronenräder automatisiert in größeren Stückzahlen zu fertigen.[2][3]

Aufbau[Bearbeiten]

Prinzip der Kronenradverzahnung
Beispiele für verschiedene Kronenradtypen: Geradverzahnung (A), Schrägverzahnung (B), Schrägverzahnung mit Achsversatz (C)

Die Prinzipskizze zeigt den wesentlichen Unterschied, wenn in Winkeltrieben Kronenräder statt Kegelräder eingesetzt werden: Beim Kegelradgetriebe müssen beide Zahnräder die Form eines Kegels haben. Die einwandfreie Funktion ist nur dann gewährleistet, wenn sich die gedachten Spitzen der Mittellinien der Kegelräder in einem Punkt ("0") schneiden. Beim Zusammenbau müssen die Kegelräder entsprechend eingestellt werden, damit sie in Richtung der Achsen A und B genau in der richtigen Position stehen und die Verzahnung geräusch- und verschleißarm läuft.

Bei Kronenradgetrieben ist dagegen ein Zahnrad (Z) zylindrisch und das andere ist ein Kronenrad (K). Das Zahnrad (Z) kann daher entlang der Achse A verschoben werden, ohne dass sich Probleme beim Laufverhalten ergeben. Dies ermöglicht einige sehr elegante technische Lösungen. Bei einem geradverzahnten zylindrischen Zahnrad (Z) entstehen auch unter Last keine axialen Kräfte (längs der Achse A), im Gegensatz zum Kegelradgetriebe ist eine besondere Abstützung des zylindrischen Zahnrades (Z) nur bei Schrägverzahnung erforderlich.

Beispiele für Verzahnungsformen[Bearbeiten]

Verschiedene Beispiele für den Aufbau von Kronenradpaarungen zeigt ein weiteres Bild:

  • Die roten Kreise zeigen, dass das zylindrische Zahnrad längs seiner Achse verschoben werden kann (Position 1 weiter außen und Position 2 weiter innen), ohne dass die Funktion beeinträchtigt wird. Die im Bild gezeigten schrägverzahnten Stirnräder bewirken zusätzlich eine Phasenverschiebung, wenn sie axial auf dem Kronenrad verschoben werden.
  • Geradverzahnung (A) bei dem sich die Achsen rechtwinklig kreuzen,
  • mit Schrägverzahnung (B) bei dem sich die Achsen rechtwinklig kreuzen, und
  • Schrägverzahnung (C), bei dem die Achsen versetzt sind.

Die Ausschnittvergrößerung zeigt die eigentümliche Zahnform der Kronenräder.

Variationen in der Bauform[Bearbeiten]

Prinzipiell kann man Kronenräder in folgenden Varianten herstellen:

  • Mit gerader Verzahnung des zylindrischen Rades, so dass eine axiale Verschiebung möglich ist. Damit lässt sich beispielsweise ein einfacher Längenausgleich erreichen, das zylindrische Zahnrad kann sich axial bewegen und verhindert so Verspannungen.
  • Wird das zylindrische Zahnrad schrägverzahnt, so bewirkt dessen axiale Verschiebung eine kleine Verdrehung des Kronenrades, die der Drehbewegung überlagert wird. Auf diese Art lassen sich einfach Phasenverschiebungen realisieren. Beispiel Nockenwellenverstellung: Treibt man die Nockenwelle am Auslass eines 4-Ventil-Motors mit einer Kette an und treibt die Nockenwelle für den Einlass über ein Kronenrad mit schrägverzahntem Stirnrad an, so lässt sich die Phasenverschiebung der Einlass-Nockenwelle durch einfaches axiales Verschieben des zylindrischen Zahnrades realisieren.
  • Mit entsprechender Auslegung lässt sich auch ein Achsversatz realisieren, so wie er bei Hypoidgetrieben in der Hinterachse von Achsantrieben (meist in heckangetriebenen Fahrzeugen) üblich ist.

Ein Kronenrad ist Teil eines Kronenradgetriebes. Das besondere an diesem Getriebeteil sind die auf einer Seite des Rades befindlichen Zähne, so dass es aussieht wie eine Krone.

Anwendungen[Bearbeiten]

Bild aus der Offenlegungsschrift: Patent DE 103 08 800

Das Anwendungsbeispiel zeigt zwei Walzen W1 und W2, die über die Kronenräder K1 und K2 angetrieben werden. Die Walzen drehen sich gegensinnig, so dass sie zur Führung von Papier oder Bandstahl oder zum Auswalzen von Teig in einer bestimmten Dicke genutzt werden können. Mit der Kronenverzahnung ist es nun möglich, die Walze W1 im laufenden Betrieb so zu verschieben (rote gestrichelte Linie), dass der Abstand laufend dem Medium angepasst werden kann, welches durch die Walzen geführt werden soll.

Zahlreiche weitere Anwendungen betreffen Differentiale in Kraftfahrzeugen[1][4]. Prinzipiell lassen sich Anwendungsvorteile in jedem Planetengetriebe finden, welches sonst mit Kegelrädern aufgebaut wird.[5]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. a b Siehe insbesondere Fig. 3 und Anspruch 1 in US Patent US2270567A vom 13. April 1940 "Differential mechanism" von George Slider, Chrysler Corp.
  2. DE 69503385: Kronenradgetriebe, Kronenrad und Verfahren und Werkzeug zur Herstellung des Kronenrades.
  3. DE 69406444: "Werkzeug zur Herstellung eines Kronenrades, das mit einem Schrägstirnrad zusammenwirken kann, und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kronenrades" von Anne Sijtsta, 1994.
  4. DE 103 08 800: Kronenraddifferential bzw. Satz von zumindest zwei Kronenraddifferentialen; "Die Erfindung betrifft ein Kronenraddifferential. Bei einem solchen Differential sind die Achswellenräder als Kronenräder ausgeführt. Eine komplette Fahrzeugbaureihe kann infolge des konstruktiven Aufbaus des Differentials unabhängig von der Motorisierung des einzelnen Fahrzeuges mit dem gleichen Differential ausgestattet werden. Zur Variation des übertragbaren Drehmomentes sind in das Differential bedarfsgerecht spezielle Ausgleichsräder einsetzbar, welche keines Differentialbolzens bedürfen.", 2003
  5. DE 19541748: "Zahnradkasten für ein kontinuierlich variables Getriebe" von Arie Adolf Demmers, 1994.

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Crown wheels – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien