Einkaufs-Leitfaden zu Stirnrädern
Wie Stirnräder funktionieren, welche Vorteile sie haben, ihre Einsatzgebiete und Größen
Was ist ein Stirnrad?
(Gerad-)Stirnräder sind einfache zylindrische Präzisionszahnräder mit gerader, achsparalleler Verzahnung. Sie übertragen Kräfte zwischen parallelen Achsen. Die wegen ihrer simplen, aber effektiven Geradverzahnung sehr vielseitigen Zahnräder kommen in verschiedensten Anwendungen zur mechanischen Kraftübertragung zum Einsatz. Dies macht sie zum am häufigsten verwendeten Zahnradtyp.
Die Zähne sind parallel zur Mittelachse des Zahnrads angeordnet. Der Eingriff ist daher leicht abgestuft und weniger fließend als bei einem Schrägstirnrad. Seltener werden geradverzahnte Stirnräder als auch Zylinderräder bezeichnet.
Geradstirnräder vs. Schrägstirnräder
Geradstirnräder und Schrägstirnräder (auch Schraubenräder oder Schrägzahnräder genannt) sind Zahnradtypen, die sich in einigen wesentlichen Punkten unterscheiden. Die wichtigsten Unterschiede stellen wir hier vor.
Bei Stirnrädern mit gerader Verzahnung sind die Zähne parallel zur Zahnradachse angeordnet. Der Eingriff der Zähne kann laute Geräusche und starke Vibrationen verursachen. Zum Einsatz kommen Stirnräder in zahlreichen Geräten und Anwendungen, oft werden sie reihenweise verbaut.
Bei Schrägstirnrädern hingegen ist die Verzahnung schräg winklig zur Zahnradachse angeordnet. Aufgrund des Schrägungswinkels greifen die Zähne stufenlos ineinander, was eine im Vergleich zu Stirnrädern leisere, geschmeidige Bewegung zur Folge hat. Bei Anwendungen, bei denen eine möglichst geringe Geräuschentwicklung erwünscht ist (z.B. im Automobilbau), werden Schrägstirnräder gegenüber gerade verzahnten vorgezogen.
Anwendungsbereiche für Stirnräder
Stirnräder eignen sich für zahlreiche Anwendungen. Sie sind vielseitig und lassen sich leicht anpassen. Diese Vielseitigkeit macht sie zu einer beliebten Komponente in vielen technischen Bereichen.
In der Regel wird mit Stirnrädern das zwischen zwei Komponenten übertragene Drehmoment erhöht oder vermindert. Außerdem dienen sie zur Kraftübertragung in Getrieben, Drehmomentvervielfachung, Kräftezerlegung sowie für Präzisionsanwendungen in Positionierungssystemen.
Häufige Anwendungen sind:
- Haushaltsgeräte wie Waschmaschinen, Wäschetrockner und Mixer
- Baumaschinen
- Zerspanungsanwendungen
- Kraftstoffpumpen
- Walzwerke
- Mechanische Transportsysteme
- Förderanlagen
- Motoren und Zahnradpumpen
Stirnräder kommen für die meisten Getriebestufen infrage, werden aber in der Regel für niedriggängige Anwendungen verwendet, da der Zahneingriff (immer nur ein Zahn gleichzeitig) geräuschintensiv ist und zu starkem Verschleiß der Verzahnung führen kann.
Wie funktionieren Stirnräder?
Die Zähne von Stirnrädern sind parallel zu den (komplanaren) Zahnradachsen angeordnet. Es handelt sich um eine Evolventenverzahnung, d. h., Stirnräder erzeugen nur Radialkräfte.
Die Abbildung zeigt, wie die Zähne zweier rotierender Stirnräder ineinandergreifen und sich dabei nur an einem einzigen Punkt (Schnittpunkt der Evolventen) berühren. Während der Rotationsbewegung wandert dieser Kontaktpunkt entlang der Verzahnungsoberfläche. Die Kraft verläuft entlang einer Tangente, die beiden Grundkreisen gemeinsam ist, d. h., das Verhältnis der Winkelgeschwindigkeiten bleibt beim Eingriff der Zähne konstant.
Was ist ein Stirnradmodul?
Der Modul ist ein Maß für die Zahngröße bei Zahnrädern und wird von der Internationalen Organisation für Normung (ISO) vereinheitlicht. Es handelt sich also um eine Maßeinheit, die angibt, wie groß oder klein ein bestimmtes Zahnrad ist.
Man berechnet ihn aus dem Teilkreisdurchmesser geteilt durch die Anzahl der Zähne. Folglich entspricht der Modul dem Abstand zwischen Kopfkreis und Teilkreis.
Mitunter wird der Modul auch als Kehrwert angegeben. Es gibt noch weitere Maßeinheiten, der Modul ist aber die international gebräuchlichste.
Gängige Moduln für Stirnräder
Welche Vorteile haben Stirnräder?
Durch ihren einfachen Aufbau und die äußerst vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten eignen sich Stirnräder für eine Reihe von Szenarien in unterschiedlichen Branchen und Umgebungen.
Zu den wichtigsten Vorteilen von Stirnrädern gehören Folgende:
- Hoher Wirkungsgrad bei der Kraftübertragung (in der Regel 95 bis 99 %)
- Geringe Kosten und einfache Montage
- Konstantes Übersetzungsverhältnis
- Im Gegensatz zu Riemengetrieben besteht keine Gefahr eines Durchrutschens
- Hohe Zuverlässigkeit und Festigkeit
- Übertragung auch großer Kräfte bei hoher Belastung
- Einfache Konstruktion und Herstellung, dadurch äußerst preisgünstig
- Kompakte Form ermöglicht die Anwendung auf eng begrenzten Platzverhältnissen
Diese Vorteile sind der Grund, warum Stirnräder als vielseitig einsetzbare Maschinenelemente so weit verbreitet sind. Ihre simple Bauweise macht sie ausgesprochen effektiv.
Häufig verwendete Materialien
Die Leistung eines Stirnrads hängt wesentlich von seiner Beschaffenheit ab. Zwar ist die Bauart relativ schlicht, doch maximale Effizienz lässt sich nur mit hochwertigen Materialien gewährleisten.
Stirnräder können aus metallischen Werkstoffen wie Stahl oder Messing, aber auch aus Kunststoffen und Polymeren wie POM oder Acetal gefertigt werden. Stahl ist in der Regel einsatzgehärtet, um vorzeitigen Verschleiß zu verhindern.
Metall- und Kunststoffmaterialien haben jeweils besondere Vorteile. Beispielsweise laufen Stirnräder aus Kunststoff leiser als solche aus Metall. Dennoch werden Stirnräder aus Stahl oder Edelstahl häufiger eingesetzt, da sie viel langlebiger sind und insbesondere in anspruchsvolleren Umgebungen nicht so schnell abnutzen.
Letztlich ist die Wahl des Materials von den Drehmomenten abhängig, die im Einsatz übertragen werden sollen. Stirnräder aus Kunststoff eignen sich nicht für größere Drehmomente und kommen daher eher in Anwendungen mit geringeren Rotationskräften zum Einsatz. Zur Übertragung großer Kräfte wird vergüteter Stahl benötigt. Die Wahl des richtigen Werkstoffs ist wichtig, um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen und den Verschleiß und Wartungsaufwand gering zu halten.
Standardgrößen von Stirnrädern
Die Größe eines Stirnrads wird üblicherweise mit dem Modul angegeben. Dieser ist ein Maß für die Verzahnungsgröße, wobei größere Zähne auch größere Kräfte übertragen können.
Daneben gibt es weitere Maßzahlen für die Stirnradgröße:
- Anzahl der Zähne
- Bohrungsdurchmesser
- Nabendurchmesser
- Teilkreisdurchmesser
- Stirnbreite
Durch Multiplikation des Moduls eines Zahnrads mit der Kreiszahl Pi erhält man die Zahnteilung. Dies ist der Abstand zwischen zwei benachbarten Gewindegängen oder Zähnen.
Anhand dieser Maße können Sie die geeignete Stirnradgröße für Ihre Anwendung ermitteln. Die genaue Erfassung dieser Maße ist vor allem bei Systemen sinnvoll, für die präzise Größenanforderungen gelten. Damit Zahnräder wie vorgesehen funktionieren, müssen sie exakt dimensioniert und gefertigt werden.
Gegenräder müssen denselben Modul aufweisen. Ist ein Gegenrad falsch dimensioniert, kann es passieren, dass die Zähne nicht voll greifen oder dass sich die beiden Zahnräder ineinander verhaken. In der Folge kann es zu erhöhtem Verschleiß, Beschädigung des Zahnradpaars, verstärkter Geräusch- und Vibrationsentwicklung oder sogar zu Fehlfunktionen des gesamten Systems kommen. Daher ist bei Zahnrädern unbedingt auf eine korrekte Dimensionierung zu achten.
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