Zahnräder

Durch die gegenseitige Lage der durch Zahnräder zu verbindenden Wellen werden im wesentlichen die Formen der Zahnräder bedingt.

1. Stirnräder.

Für parallele Wellen sind die Grundkörper Zylinder und die entsprechenden Zahnräder werden als Zylinderräder, zylindrische Rüder oder Stirnräder (Fig. 1) bezeichnet. Die Zähne haben prismatische Form und sind parallel der Radachse angeordnet. Sie sitzen auf der Außenseite des Radkranzes (äußere Verzahnung), können aber auch bei einem der Räder im Paare sich auf der Innenseite desselben befinden (innere Verzahnung). Ein solches Rad kann als Hohlrad (Fig. 2) bezeichnet werden und im Gegensatz hierzu das eingreifende Rad als Vollrad.

2. Hohlrad.

Zwei miteinander in Eingriff stehende Räder drehen sich bei äußerer Verzahnung in entgegengesetzter Richtung, bei innerer Verzahnung des einen Rades dagegen in der gleichen Richtung. Von verschieden großen Rädern eines Paares wird das kleine, wenigzähnige Rad bisweilen als Trieb, Getriebe oder Ritzel bezeichnet. Wird der Radius eines Rades unendlich groß, dann entsteht die Zahnstange (Fig. 3), die, in Führungen gleitend, mit einem Stirnrad in Eingriff steht. Mitunter versieht man die Räder mit stufen- oder staffelförmig versetzten Zähnen (Stufen- oder Staffelzähne), wodurch der Eingriff der einzelnen Zähnepaare bei der Drehung der Räder weniger fühlbar wird.

3. Zahnstange.

4. Stufenzahnrad.

Fig. 4 zeigt Stufenzahnrad mit zwei Zahnreihen, die so versetzt sind, daß die Zähne der einen Reihe auf die Zahnlücken der andern fallen. Läßt man die Stufenzahl immer größer und größer werden, dann gelangt man zu Rädern mit schraubenförmig gewundenen Zähnen (Schraubenräder, Fig. 5), bei denen sich der Zahneingriff ganz allmählich vollzieht, und die auch bei hohen Geschwindigkeiten stoßfrei und ruhig laufen. Infolge der Schrägstellung der Zähne werden durch den Zahndruck senkrecht zu den Radebenen gerichtete Kräfte wachgerufen, welche die Räder in axialer Richtung zu verschieben bestrebt sind. Diese axialen Kräfte werden aufgehoben durch die Vereinigung von zwei Rädern mit nach entgegengesetzter Richtung schräggestellten Zähnen, wodurch die Räder mit Winkelzähnen, auch Pfeilräder genannt (Fig. 6), entstehen.

5. Schraubenräder für parallele Wellen.

Winkelzähne haben eine erheblich größere Festigkeit wie die gleichprofilierten, geraden Zähne von gleicher Breite. Sie werden unter anderm häufig angewandt bei den sehr großen Kräften ausgesetzten sogen. Kammwalzen (Fig. 7) der Walzwerke. Ein Getriebe für parallele Wellen, das sehr große Übersetzungen ermöglicht, ist das Grissongetriebe (Fig. 8). Das große Rad enthält zwischen seinen drei Wandungen a, b, c zwei um eine halbe Teilung gegeneinander versetzte Reihen von auf Bolzen drehbaren Rollen.

6. Pfeilrad.

Zwischen die Rollen einer jeden Reihe greift je einer von zwei um 180° gegeneinander versetzten, in verschiedenen Ebenen liegenden, herzförmigen Daumen d und e ein. Das Ganze besteht also aus der Vereinigung zweier Getriebe mit je einem einzähnigen Rade.

Für sich schneidende Wellen werden die Grundkörper der Zahnräder Kegel, deren Spitzen in dem Schnittpunkt der geometrischen Wellenachsen der Räder zusammenfallen. Die entsprechenden Zahnräder heißen Kegelräder oder konische Räder. Fig. 9 zeigt in schematischer Darstellung zwei Kegelräder, deren Achsen einen spitzen Winkel bilden.

7. Kammwalzen.

Die Zähne der Kegelräder sind Pyramiden, deren Kanten in den Kegelspitzen zusammenlaufen. Schneiden sich die Radachsen rechtwinklig, dann werden die Räder wohl auch Winkelräder (Fig. 10) genannt. Innen verzahnte oder Hohlkegelräder sind möglich, ebenso können Kegelräder mit Stufenzähnen, mit schräggestellten, schraubenförmig gewundenen oder mit Winkelzähnen (vgl. die Fig. 2, 4, 5 u. 6) versehen werden. Für alle derartig ausgebildeten Kegelräder ergeben sich bei der genauen Herstellung jedoch Schwierigkeiten, weshalb sie mit einigen Ausnahmen bezüglich der Pfeilkegelräder (Fig. 11) keine allgemeine Anwendung finden.

Für in verschiedenen Ebenen liegende, sich kreuzende (geschränkte) Wellen ergeben sich als Grundkörper der Zahnräder Hyperboloide, wonach die entsprechenden Zahnräder Hyperboloidräder, hyperbolische Räder oder Hyperbelräder benannt werden.

8. Grissongetriebe.

Fig. 12 gibt schematisch ein Bild eines Hyperbelräderpaares. Die genaue Herstellung der Hyperbelräder ist sehr schwierig, weshalb sie nur ganz vereinzelt angewandt werden. Anstatt jener werden zur Bewegungübertragung zwischen geschränkten Wellen sehr häufig zylindrische Räder mit schraubenförmig gewundenen Zähnen (Schraubenräder) benutzt, wie Fig. 13 schematisch zeigt.

9. Schema eines Kegelräderpaares.

Sind die Radachsen rechtwinklig geschränkt, welcher Fall am meisten vorkommt, dann ergibt sich das Bild Fig. 14. Wird hierbei bei einem der beiden Schraubenräder die Zähnezahl sehr klein, dann entsteht die sogen. Schraube ohne Ende oder Schnecke und das Getriebe heißt Schneckengetriebe oder Wurmgetriebe (Fig. 15).

10. Kegelräder (Winkelräder).

Die Zähne des Rades sind bei unvollkommener Ausführung gerade und schräg gestellt, meist jedoch schraubenförmig und konkav, der Schneckenform sich anschmiegend, gestaltet. Auch sonst finden sich bei den Schneckengetrieben, die sehr viel angewandt werden, Verschiedenheiten in Einzelheiten der Ausbildung der Schnecke und der Zähne des Rades, was durch Bezeichnungen wie Globoidschneckengetriebe, Helikoidengetriebe etc. angedeutet wird. Schneckengetriebe bieten ein Mittel zur Erreichung großer Übersetzungen, besonders wenn nicht mehrgängige, sondern eingängige Schnecken gewählt werden. Der Antrieb erfolgt immer von der Schnecke aus. Bei allen Schraubenrädern treten axial gerichtete Kräfte auf, was bei der Lagerung von deren Wellen zu berücksichtigen ist. Für die Schneckenwelle der Schneckengetriebe ist ein sorgfältig ausgebildetes Stützlager erforderlich.

11. Pfeilkegelrad.

Zur Minderung der Reibung läßt man Schraubenräder und Schneckengetriebe häufig im Ölbade laufen. Beträgt bei letztern der Arbeitsverlust durch Reibung mindestens 50 Proz., dann ist ein Rücktrieb vom Rade auf die Schnecke nicht mehr möglich (Selbsthemmung).

12. Schema eines Hyperbelräderpaares.

13. Schema eines Schraubenräderpaares.

Um eine dem Abwälzen der Grundkörper aufeinander entsprechende, gleichförmige Bewegungsübertragung zu sichern, müssen die Zahnflanken nach bestimmten Kurven (Zahnkurven) gebildet sein, als welche meist Zykloiden oder Evolventen (Zykloidenverzahnung, Evolventenverzahnung) benutzt werden. Seltener angewandt wird die Triebstockverzahnung, bei der das eine Rad an Stelle der Zähne zylindrische, zur Radachse parallele Bolzen (Triebstöcke) besitzt, zwischen welche die Zähne des andern Rades eingreifen (s. Grissongetriebe, Fig. 8). Triebstockverzahnung wurde früher oft benutzt bei den ganz aus Holz hergestellt gewesenen Rädern in alten Mühlen etc., wobei das meist kleinere Rad mit den Triebstöcken Laternenrad, das mit seinen Zähnen (Kämmen) eingreifende größere Rad Kammrad, und das ganze Laternengetriebe genannt wurde. In ein solches Laternenrad ließ man auch häufig ein sogen. Kronrad eingreifen, d.i. ein Rad, dessen Zähne sich nicht auf der Umfangsfläche, sondern in der Radebene befinden.

14. Schraubenräder für geschränkte Wellen.

15. Schneckengetriebe.

In dieser Weise wurde, wenn auch unvollkommen, eine Bewegungsübertragung zwischen sich schneidenden Achsen vermittelt. Ist die Zahnform einer Anzahl (eines Satzes) von Stirnrädern gleicher Teilung so beschaffen, daß sie, beliebig gepaart, richtig miteinander arbeiten, dann heißen sie Satzräder. Die genaue Form der Zahnkurven ersetzt man für die Ausführung bisweilen durch Kreisbogen, wobei man sich des sogen. Odontographen (s.d.) bedienen kann.