Kegelradgetriebe, Ritzel, Tellerrad, Geradverzahnung, Achsen

Kegelräder

Dieser Artikel liefert unter anderem Antworten auf die folgenden Fragen:

  • Wie sind Kegelradgetriebe aufgebaut?
  • Welchen Vorteil bieten Kegelradgetriebe gegenüber Stirnradgetrieben?
  • Was versteht man unter einem Ritzel und einem Tellerrad?
  • Welche Vorteile besitzen bogenförmige Verzahnungen im Vergleich zu Geradverzahnungen?
  • Was sind Hypoidgetriebe?
  • Welche Vorteile gegenüber normalen Kegelradgetrieben weisen Hypoidgetriebe auf und wo werden diese verwendet?
  • Weshalb müssen Hypoidgetriebe besonders geschmiert werden?

Einleitung

Anders als bei Stirnräder (Stirnradgetriebe), bei denen die Drehachsen stets parallel zueinander angeordnet sind, können durch Verwendung von Kegelräder (Kegelradgetriebe) die Drehachsen der Zahnradwellen um einen beliebigen Winkel zueinander gedreht werden. Häufig wiederzufinden ist ein Achswinkel von 90°. Ein Getriebe, das ausschließlich Kegelräder zur Kraftübertragung nutzt wird Kegelradgetriebe oder auch Winkelgetriebe genannt.

Bei Kegelradgetrieben stehen die Achsen der kegelförmigen Zahnräder meist rechtwinklig zueinander!

Kegelradgetriebe, Ritzel, Tellerrad, Geradverzahnung, Achsen
Abbildung: Ritzel und Tellerrad eines Kegelradgetriebes

Die untere Abbildung zeigt hierzu das Beispiel einer Handbohrmaschine. Während es sich bei der ersten Getriebestufe um ein Stirnradgetriebe handelt, dient als zweite Getriebestufe ein Kegelradgetriebe welches eben auch dazu dient die Drehachse um 90° zu drehen. Insgesamt liegt dabei eine Übersetzung ins Schnelle vor, da die Drehzahl für Bohrvorgänge stark erhöht werden muss.

Hand-Bohrmaschine, Kegelrad-Getriebe, Stirnrad-Getriebe, Zahnrad
Abbildung: Kegelradstufe einer Handbohrmaschine

Aufgrund des tellerförmigen Aussehens wird das größere der Kegelräder auch als Tellerrad bezeichnet. Das Tellerrad selbst wird von einem kleinere Kegelrad angetrieben, das dann auch Ritzel genannt wird.

Wälzkegel

Bei Kegelräder bildet die Form der Zahnräder einen Kegelstumpf (Wälzkegel genannt), wobei die Zähne auf der Mantelfläche angeordnet sind. Die gedachten Wälzkegel zweier gepaarter Kegelräder wälzen sich ohne Gleiten aufeinander ab. Die Umfangsgeschwindigkeiten an den jeweiligen Berührpunkten der Paarungsfläche der beiden Wälzkegel sind also jeweils identisch.

Animation: Wälzzylinder

Die Achsen der Kegelräder schneiden sich in einem Punkt, wobei der Schnittwinkel häufig 90° beträgt. Dieser Schnittpunkt entspricht dem Punkt in dem sich die Spitzen der gedachten Wälzkegel schneiden, wenn diese nicht mehr als Kegelstümpfe sondern als spitze Kegel betrachtet werden.

Kegelrad-Getriebe, Wälzkegel, Schnittpunkt, Achsen, Ritzel, Tellerrad
Abbildung: Spitzen der Wälzkegel im Schnittpunkt der Achsen

Verzahnungsarten

Auch bei Kegelradgetrieben können die Kegelräder unterschiedliche Verzahnungsvarianten aufweisen. Auf die wichtigsten Verzahnungen wird in den nachfolgenden Abschnitten näher eingegangen.

Geradverzahnung

Kegelräder können – wie auch Stirnräder – je nach Verlauf der Zahnflankenlinie weiter unterteilt werden. Verlaufen die Zähne jeweils geradlinig, d.h. in radiale Richtung zur Drehachse des Zahnrades hin, so spricht man von einer Geradverzahnung.

Animation: Geradverzahntes Kegelradgetriebe

Eine solche Geradverzahnung hat den bereits im Artikel Stirnräder erläuterten Nachteil, dass durch das plötzliche Einsetzen der vollen Eingriffsbreite die Geräuschentwicklung relativ hoch ist. Dem kann jedoch mit der nachfolgend näher erläuterten Bogenverzahnung entgegengewirkt werden.

Bogenverzahnung

Verläuft die Flankenlinie nicht mehr radial nach außen sondern mit einem bestimmten Drall (ähnlich zur Schrägverzahnung bei Stirnrädern), dann erhält man eine bogenförmige Verzahnung, die allgemein auch als Bogenverzahnung bezeichnet wirdDie Bogenform selbst kann dabei spiralförmig, evolventenförmig, zykloidenförmig oder kreisförmig sein.

Animation: Bogenverzahntes Kegelradgetriebe

Die Bogenverzahnung bietet im Vergleich zur Geradverzahnung günstigere Eingriffsverhältnisse, höhere übertragbare Drehmomente und geringere Geräuschentwicklungen sowie höhere Einbautoleranzen. Aus diesem Grund wird im Maschinenbau die Bogenverzahnung bei Kegelrädern bevorzugt verwendet.

Planrad

Ein Sonderfall des Kegelrades ergibt sich, wenn der Teilkegelwinkel des Tellerrades immer größer gewählt wird und im Extremfall 90° beträgt. Die “Höhe” des Wälzkegels wird dabei immer geringer und ist im Extremfall zu einer “Wälzebene” geworden. Man spricht vom sogenannten Planrad. Das Gegenrad zum Planrad bildet ein herkömmliches Kegelrad, ohne dies ein reiner Abwälzvorgang auf der Wälzebene des Planrades nicht möglich wäre, da die Umfangsgeschwindigkeit auf der Wälzebene nach innen hin abnimmt.

Animation: Vom Kegelrad zum Planrad

Somit ist ein Achswinkel von 90° mit einem Planrad nicht zu realisieren, da dann das Ritzel hierfür ein Stirnrad sein müsste. Der Wälzzylinder eines Stirnrades hat jedoch eine konstante Umfangsgeschwindigkeit und kann sich somit den unterschiedlichen Umfangsgeschwindikeiten der Wälzebene des Planrades nicht anpassen! Hierfür wäre eine Anpassung des Zahnprofils auf dem Planrad in radialer Richtung erforderlich – siehe hierzu den nächsten Abschnitt Kronenrad.

Kegelrad, Planrad, Tellerrad, Ritzel
Abbildung : Planrad (Tellerrad) und herkömmliches Kegelrad (Ritzel)

Das Planrad bei Kegelrädern kann in Analogie zur Zahnstange bei Stirnrädern betrachtet werden. In beiden Fällen ist der ursprünglich “gekrümmte” Wälzkörper zu einer Ebene geworden. Auf die analoge Weise wie das Zahnstangenprofil als Bezug für die Konstruktion von Stirnrädern herangezogen wird (siehe Artikel Zahnradherstellung), wird bei Kegelrädern das Planrad als Bezugsrad verwendet.

Kronenrad

Ein Sonderfall des Winkelgetriebes ergibt sich, wenn als Ritzel ein herkömmliches Stirnrad genutzt wird, welches dem Prinzip nach auf einer Zahnstange abwälzt, die zu einem Ring gebogen wird. Die in der Ebene angeordneten Zähne gleichen in ihrem Aussehen der Zacken einer Krone. Man spricht deshalb vom sogenannten Kronenrad. Das entsprechende Getriebe wird Kronenradgetriebe genannt. Die Verzahnung eines Kronenrades kann sowohl geradverzahnt als auch bogenverzahnt sein.

Animation: Kronenrad

Die obere Animation zeigt ein geradverzahntes Kronenrad, das von einem herkömmlichen geradverzahnten Stirnrad angetrieben wird. Im Gegensatz zum Kegelrad lässt das Kronenrad eine axiale Verschiebung seines Gegenrades zu! Zudem treten in der geradverzahnten Variante keine axialen Kräfte auf, wie dies beim Kegelrad der Fall ist.

Da die Umfangsgeschwindigkeit des Kronenrades nach außen hin zunimmt, das Stirnrad jedoch eine konstante Umfangsgeschwindigkeit besitzt, muss für einen gleitfreien Abwälzvorgang der Wälzkörper das Zahnprofil des Kronenrades in radialer entsprechend angepasst werden (großer Eingriffswinkel außen und geringer Eingriffswinkel innen).

Das Kronenrad ist im eigentlichen Sinne kein Kegelrad, da die Wälzkörper keine Kegel sind! Im Gegensatz zum Planrad lässt sich mit einem Kronenrad ein Achswinkel von 90° erzielen. Im Allgemeinen kann der Achswinkel zwischen 0° und 180° betragen.

Hypoidgetriebe

Bei den bisher betrachteten Kegelräder schneiden sich die Achsen von Tellerrad und Ritzel in einem Punkt. Ein Versatz der Achsen (windschiefe Achsen) lässt sich in diesen Fällen nicht realisieren.

Wenn jedoch auch Drehbewegungen zwischen sich nicht schneidenden Achsen übertragen werden soll, dann muss vor allem das Ritzel eines Kegelradgetriebes bei Achsversatz anders konstruiert werden. Insbesondere erhält man dann keine wälzende Bewegung mehr sondern eine schraubende Bewegung. Das Ritzel bildet dann ein kegelförmiges Schraubenrad, welches als Schraubenkegelrad oder als Hypoidrad bezeichnet wird. Eins solches Getriebe selbst wird als Hypoidgetriebe bezeichnet (siehe Animation unten).

Mit Hypoidgetrieben lassen sich Drehbewegungen zwischen sich nicht schneidenden Achsen realisieren!

Animation: Hypoidgetriebe

Wie aus der unteren Animation ersichtlich wird, erhöht sich durch den positiven Achsversatz der Spiralwinkel des Schraubenrades. Ein positiver Achsversatz bedeutet dabei, dass die Achse des Schraubenrades in Richtung der bogenförmig verlaufenden Flankenlinie des Tellerrades verschoben wird (hier: nach unten). Bei negativem Achsversatz wird das Schraubenrad hingegen entgegen der Bogenform verschoben (hier: nach oben). Bei positivem Achsversatz vergrößerst sich zudem der Durchmesser des Ritzels bzw. verkleinert sich bei negativem Achsversatz.

Animation: Einfluss des Achsversatzes auf den Spiralwinkel

Die Flankenlinie des Ritzels muss sich bei größer werdendem Achsversatz deshalb stärker winden, weil die bogenförmigen Zähne des Tellerrades dann stärker gegen die Achse des Ritzels geneigt sind.

Hypoid-Getriebe, Achsversatz, Ritzel, Spiralwinkel
Abbildung: Einfluss des Achsversatzes auf den Spiralwinkel

Durch den stärkeren spiralförmigen Verlauf der Zähne bei positivem Achsversatz, wird zudem erreicht, dass stets mehrere Zähne gleichzeitig am Eingriff beteiligt sind (größere Sprungüberdeckung). Hierdurch können nicht nur größere Drehmomente als bei normalen Kegelräder übertragen werden sondern auch die Geräuschentwicklung ist deutlich geringer.

Hypoidgetriebe weisen höhere Belastbarkeiten und geringere Geräuschemissionen als herkömmliche Kegelradgetriebe auf!

Anwendung finden Hypoidgetriebe deshalb bspw. in Differentialgetrieben in der Automobilindustrie. Hierzu zeigt die untere Abbildung eines von insgesamt zwei Differentialgetriebe eines LKWs für den Hinterradantrieb. Zu sehen ist das antreibende Ritzel und das angetriebene Tellerrad mit Bogenverzahnung. Das abgebildete Getriebe besitzt eine Masse rund 150 kg.

Differential-Getriebe, Kegelrad, Hypoid-Getriebe, LKW
Abbildung: Differentialgetriebe

Das Hypoidgetriebe kann letztlich als Mischung zwischen Kegelradgetriebe und Schneckengetriebe betrachtet werden und vereint dementsprechend Merkmale beider Varianten. Insbesondere die verwendeten kegelförmigen Grundkörper bei Kegelradgetrieben und die schraubende Bewegung bei Schneckengetrieben.

Animation: Hypoidgetriebe (Eingriff)

Beachte, dass es sich bei den Grundkörper der Hypoidgetriebe nicht mehr um Wälzkörper im eigentlichen Sinne handelt. Denn die Kraftübertragung findet in keinem Berührpunkt der Flanken mehr wälzend statt sondern rein schraubend, d.h. die Flanken gleiten permanent aufeinander ab. Das für schraubende Bewegungen typische Gleiten macht auch eine besondere Schmierung der Hypoidgetriebe mit sogenannten Hypoidölen erforderlich.

Hypoidgetriebe müssen aufgrund der schraubenden Kraftübertragung speziell geschmiert werden!