Getriebearten: Designs, Anwendungen und Roboterintegration

Seit der industriellen Revolution werden fortschrittliche Maschinen hergestellt. Zahnräder bilden das Rückgrat dieser Maschinen. Sie dienen der Kraftübertragung. Von der Uhr über das Flugzeug bis hin zum Space Shuttle spielen Zahnräder eine wichtige Rolle für die Präzision. Untersuchungen zeigen, dass 90 % aller Maschinen Zahnräder für den ordnungsgemäßen Betrieb verwenden. Dieser Artikel bietet einen umfassenden Überblick über diese Zahnräder, ihre Typen und Anwendungen und erörtert, wie sie die Roboterintegration revolutioniert haben. Wir definieren, was Zahnräder sind und wie sie die Kraftübertragung grundlegend unterstützen.

Was sind Zahnräder? Die Grundlagen der Kraftübertragung

Zahnräder übertragen Bewegung und Kraft zwischen Wellen. Sie spielen eine grundlegende Rolle bei der Kraftübertragung, da sie Geschwindigkeit, Drehmoment und Richtung steuern. Ihre Rolle hat sie zu einem unverzichtbaren Bestandteil von Fahrrädern bis hin zu Raumfahrzeugen gemacht.

Erklärung der Getriebeterminologie:

Im Folgenden sind die wichtigsten Begriffe im Zusammenhang mit einem Getriebe aufgeführt:

• Tonhöhe (Pitch)

Unter Teilung versteht man den Abstand zwischen zwei Zähnen

• Modul

Metrisches Maß für die Zahngröße

• Eingriffswinkel

Es handelt sich um den Winkel zwischen der Zahnfläche und der Zahnradtangente. Er beträgt typischerweise durchschnittlich 20° oder 14.5°

Wie funktionieren Zahnräder?

In diesem Abschnitt erfahren Sie, wie ein Zahnrad funktioniert. Zahnräder übertragen Kraft auf die Wellen und ermöglichen dabei die folgenden wichtigen Funktionen.

Drehmomentvervielfachung

Drehmomentvervielfachung bedeutet, dass bei zwei Zahnrädern das kleinere das größere antreibt und sich das Ausgangsdrehmoment erhöht.

• Formel

Ausgangsdrehmoment = Eingangsdrehmoment × (Zähne am angetriebenen Zahnrad / Zähne am treibenden Zahnrad)

Geschwindigkeitsreduzierung

Bei der Drehmomentvervielfachung wird die Gesamtdrehzahl mit zunehmendem Ausgangsdrehmoment reduziert.

• Formel

Ausgangsdrehzahl = Eingangsdrehzahl × (Zähne am Antriebsrad / Zähne am angetriebenen Rad)

Erläuterung der Zahnradgeometrie

Die Geometrie eines Zahnrads ist die Grundlage für dessen Leistung und sorgt für eine reibungslose Kraftübertragung. Gängige Profile sind Evolventen- und Zykloidenprofile. Hier sind einige Beispiele:

Evolventenzähne

Es weist eine gekrümmte Form auf, die durch das Abwickeln einer Schnur von einem Grundkreis entsteht.

• Warum haben 90 % der Zahnräder Evolventenzähne?

Es gibt fünf Gründe, warum 90 % der Zahnräder eine Evolventengeometrie haben.

1. Konstante Geschwindigkeitsverhältnisse
2. Einfachere Herstellung
3. Verschleißschutz
4. Spielfrei
5. Toleranz

Zykloidenzähne

Form: Spitz zulaufend und aus rollenden Kreisen entlang eines Teilkreises erzeugt.

Sie gelten als am besten für hohe Stoßbelastungen geeignet.

Schlüsselkomponenten:

Nun werden wir kurz einige Schlüsselkomponenten von Gear besprechen

Hub

Zentraler Montagepunkt

Felgen

Äußerer Zahnring

Wellenverbindungen

Übertragen Sie Strom an die anderen Komponenten

Zähne

Bestimmt die Vernetzungseffizienz

Zahnradarten nach axialer Richtung

Lassen Sie uns einige Arten von Zahnrädern nach axialer Richtung untersuchen:

Parallelachsgetriebe

• In diesen Getrieben bewegen sich die Wellen parallel zueinander
• Zu den wichtigsten Typen gehören Stirnräder, Schrägverzahnungen, Doppelschrägverzahnungen
• Parallelachsgetriebe bieten einen hohen Wirkungsgrad und eignen sich am besten für Anwendungen mit konstanter Geschwindigkeit
• Anwendungen sind Getriebe, Maschinen

Zahnräder mit sich kreuzenden Achsen

• Wellen treffen in einem Winkel aufeinander, oft sind es 90 Grad
• Die wichtigsten Typen dieser Art von Getriebe sind Gerade Kegelräder, Spiralkegelräder, Hypoidräder
• Diese Getriebe können die Kraftrichtung effizient ändern
• Kann Geräusche in Automobilanwendungen reduzieren

Nicht parallele/nicht schneidende Zahnräder

• In diesen Getrieben kreuzen sich die Wellen weder, noch bewegen sie sich parallel
• Wichtige Typen sind Schneckengetriebe und Schraubgetriebe
• Am besten für extreme Geschwindigkeitsreduzierungen
• Kompaktes Design für enge Räume
• Das bekannteste Beispiel ist der Aufzug

Die 7 wichtigsten Getriebearten und ihre Mechanik

In diesem Abschnitt besprechen wir sieben Arten von Getrieben und ihre Funktionsweise:

Stirnräder: Einfachheit und hohe Effizienz

• Form und Struktur

Gerade Zähne parallel zur Welle

Zylindrische Form mit Außen- oder Innentrichter

• Arbeitsprinzip

Sofortiger Volleingriff der Zähne, dadurch Kraftübertragung ohne Axialschub

• Leistung und Anwendungen

Bietet 90–95 % Effizienz bei der Kraftübertragung

Anwendungen sind Förderbänder, Zahnradpumpen

Außen- vs. Innenstirnräder

Hier ist der kurze Unterschied zwischen den Außen- und Innenstirnrädern, der in der folgenden Tabelle angegeben ist:

Schrägverzahnte Zahnräder: Leiser Betrieb und hohe Tragfähigkeit

• Form und Struktur

Die Struktur besteht aus abgewinkelten Zähnen, die Form ist jedoch zylindrisch, aber länger als Sporen

• Funktionsprinzip

Die Zähne greifen langsam ein und erzeugen axialen Schub

• Leistung und Anwendungen

Bewältigt höhere Lasten

Reduzierte Geräuschentwicklung, optimal für Fahrzeuggetriebe

Einfaches vs. doppeltes Spiraldesign (Fischgrätenmuster)

Kegelräder: Winkelkraftübertragung

• Form und Struktur

Seine Form ist konisch, mit schräg geschnittenen Zähnen und sich kreuzenden Schäften

• Funktionsprinzip

Überträgt Kraft zwischen nicht parallelen Wellen

• Leistung und Anwendungen

Höheres Drehmoment, ruhiger Betrieb, weniger Lärm

Wird in tragenden Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt verwendet

Gerad-, Spiral- und Hypoidkegelräder

Schneckengetriebe: Kompakte Übersetzungsverhältnisse und Selbsthemmung

• Form und Struktur

Wellen sind nicht parallel

Form: Schnecke (Schraube) + Schneckenrad (Zahnrad)

• Funktionsprinzip

Die Gewinde der Schnecke gleiten über die Radzähne

• Leistung und Anwendungen

Selbsthemmend

Wird in Förderbandbremsen verwendet

Zahnstange und Ritzel: Umwandlung von Drehbewegungen in lineare Bewegungen

• Form und Struktur

Ritzel (rundes Zahnrad) + Zahnstange (flache, gezahnte Stange)

• Funktionsprinzip

Das Ritzel dreht sich, wodurch die Zahnstange linear bewegt wird

• Leistung und Anwendungen

Bietet präzise lineare Bewegung und wird in CNC-Maschinen, Lenksystemen verwendet

Planetengetriebe: Präzision und Drehmomentdichte

• Form und Struktur

Sonnenrad (Mitte) + Planetenrad (rotierend) + Hohlrad (außen)

• Funktionsprinzip

Es gibt mehrere Kontaktpunkte, die die Last gleichmäßig verteilen

• Leistung und Anwendungen

Bietet hohes Drehmoment in kleinen Räumen und wird in der Robotik und in Windkraftanlagen eingesetzt

Keilwellengetriebe: Mehrkeilwellenverbindungen

• Form und Struktur

Längsverzahnung an Wellen/Naben

• Funktionsprinzip

Mehrere Zähne verteilen das Drehmoment gleichmäßig

• Leistung und Anwendungen

Bietet Gleitverbindungen und wird in Traktoren und Flugzeugen verwendet

Fortschrittliche Getriebetypen für spezielle Anwendungen

Zu den Spezialanwendungen zählen die Luft- und Raumfahrt sowie die Robotik. Die Struktur dieser Anwendungen ist komplex und erfordert sorgfältig konstruierte, fortschrittliche Getriebe. In diesem Abschnitt betrachten wir einige fortschrittliche Getriebetypen.

Harmonic Drive-Getriebe (Robotik und Luft- und Raumfahrt)

Diese Getriebe werden auch als Dehnungswellengetriebe bezeichnet. Sie verwenden eine flexible Keilwelle, die durch einen elliptischen Wellengenerator verformt wird, um mit einer starren kreisförmigen Keilwelle zu kämmen.

Die Eigenschaften dieser Zahnräder sind:

1. Null Spiel => entscheidend für Roboterarme
2. Kompakt und leicht
3. Hohe Präzision bei Operationsrobotern

Anwendungen

Industrieroboter wie Fanuc, Kuka-Arme

Entwicklung von Solaranlagen für Satelliten

Magnetgetriebe: Berührungslose Drehmomentübertragung

Magnetgetriebe funktionieren mit Permanentmagneten in Polschuhen, die das Drehmoment berührungslos übertragen. Es gibt mehrere Werkzeuge, einen Außenrotor, einen Innenrotor und ein stationäres Modul, die den magnetischen Fluss steuern.

Sie sind aus folgenden Gründen nützlich:

Wartungsfreie Getriebe

Leiser Betrieb

Überspannungschutz

Anwendungen

1. Windenergieanlagen
2. Getriebe für Elektrofahrzeuge

Unrunde Zahnräder

Wie sie arbeiten:

• Merkmaloval, dreieckig oder in SonderformTeilungskurven statt Kreise
• Konstante Eingangsdrehzahl umrechnen inprogrammierbare Ausgangsbewegung

Wichtige Eigenschaften sind:

• Drehzahlmodulation: Die Ausgangsdrehzahl variiert pro Umdrehung
• Mechanische Programmierung: Ersetzte Nockensysteme in Verpackungsmaschinen

Die folgende Tabelle ist die Zusammenfassung der obigen Diskussion:

Arten von Zahnradzahndesigns und ihre Auswirkungen

Die Art der Zähne beeinflusst die Leistung, Lebensdauer, Effizienz usw. des Zahnrads. In diesem Abschnitt besprechen wir die Arten der Zahnradkonstruktion und ihre Auswirkungen auf die Leistung dieser Zahnräder.

Zahnprofile im Vergleich: Geradverzahnung vs. Schrägverzahnung vs. Kurvenverzahnung

Stirnradzähne

• Form: Gerade, parallel zur Zahnradachse

Bemerkenswerte Eigenschaften:

• Hohe Effizienz (98-99%)
• Einfache und kostengünstige Herstellung

Es gilt als am besten geeignet für Anwendungen mit niedriger Geschwindigkeit und hohem Drehmoment wie Förderbänder und manuelle Getriebe.

Schrägverzahnung

• Form: Abgewinkelt, allmählich verjüngt
• Zu den Eigenschaften zählen ein leiserer Betrieb und eine höhere Tragfähigkeit
• Ideal für Industriepumpen und Fahrzeuggetriebe

Curvic-Zahnradzähne

• Form: Gebogenes Profil mit mehreren Eingriffswinkeln

Eigenschaften sind:

• Glattere Vernetzung
• Kann Fehlausrichtungen besser bewältigen

Diese Art von Zahnradzähnen eignet sich am besten für hochpräzise Getriebe in der Luft- und Raumfahrt.

Zahnradschleifen vs. Wälzfräsen: Was ist besser?

Das Wälzfräsen ist ein schnellerer Prozess, hinterlässt jedoch Mikrograte auf der Oberfläche, während beim Schleifen eine Oberflächengüte von Ra 0.2 μm erreicht werden kann.

Strategien zur Spielkontrolle

Spiel ist ein Problem, das zwischen ineinandergreifenden Zähnen auftritt. Es verursacht Positionierungsfehler und Vibrationen. Deshalb ist es wichtig, dieses Problem anzugehen. Nachfolgend finden Sie einige Strategien zur Lösung dieses Problems:

• Änderung im Design
• Fertigungskorrekturen
• Wartungsanpassungen

Beste Materialien für verschiedene Getriebetypen

Die Auswahl ungeeigneter Materialien für Zahnradtypen beeinflusst die mechanischen Eigenschaften und damit die Leistung des Zahnrads. In diesem Abschnitt erfahren Sie, welche Materialien für Zahnradtypen am besten geeignet sind und warum.

Stahllegierungen: Festigkeit vs. Gewicht

In dieser Tabelle sehen Sie verschiedene Stahllegierungen, die für Zahnradtypen verwendet werden. Stahl zeichnet sich durch eine hohe Belastbarkeit aus, d. h. ein Drehmoment von über 500 Nm, ist aber schwer.

Kunststoffe und Verbundwerkstoffe: Leise, leichte Lösungen

Kunststoffe und Verbundwerkstoffe sind leicht und werden in geräuschempfindlichen Anwendungen eingesetzt.

Neue Materialien: Kohlefaser und 3D-gedruckte Zahnräder

Kohlefaser und 3D-gedruckte Zahnräder sind neue Materialien im Bereich der Zahnräder. Sie sind Spezialmaterialien und werden für Prototypen und extreme Bedingungen eingesetzt.

Getriebe in der Robotik: Präzisionsanforderungen & Trends

Die Robotik ist eine aufstrebende Technologie zur Herstellung von Robotern. Diese Roboter erfordern höchste Präzision und Zuverlässigkeit von den Getrieben. So erfüllt ein Getriebe die Anforderungen eines Roboters.

Cobots vs. Industrieroboter: Ausstattungsspezifikationen

In der folgenden Tabelle haben wir am Beispiel zweier Robotertypen die Anforderungen an die Ausrüstung aufgeführt:

Miniaturzahnräder für chirurgische Geräte und Mikroroboter

Die Zähne dieser Zahnräder sind sehr klein, d. h. kleiner als ein menschliches Haar, was einem Modul von 0.1–0.5 mm entspricht.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, kommen unter anderem folgende Materialien zum Einsatz:

1. Edelstahl
2. PEEK
3. Keramik

Spielfreie Konstruktionen für hohe Positioniergenauigkeit

Zunächst müssen wir wissen, was Spiel ist. Es handelt sich um ein Spiel zwischen ineinandergreifenden Zähnen, das Positionsfehler verursacht. Bei spielfreien Konstruktionen sind folgende Konstruktionsänderungen erforderlich:

1. Vorgespannte Doppelgetriebe
2. Flexible Splines
3. Torsionssteife Materialien

Überlegungen zur Getriebekonstruktion für Ingenieure

Um eine hohe Effizienz der Getriebe zu erreichen, müssen Ingenieure die folgenden konstruktionsbezogenen Konzepte verstehen:

Wie berechnet man die Zahnradtragfähigkeit (AGMA-Standards)?

• Zunächst grundlegende Dinge festlegen

Modul

Anzahl der Zähne

Gesichtsbreite

• Berechnen Sie die Biegespannung
• Berechnen Sie die Kontaktspannung
• Vergleichen Sie mit den verfügbaren Spannungen von AGMA

Wie wählt man die Schmierung für Hochlastgetriebe aus?

Die Schmierung für Hochlastgetriebe wird je nach Anwendung ausgewählt. Beispielsweise EP-Getriebeöl für industrielle Anwendungen mit hohem Drehmoment.

Wie kann man Getriebegeräusche in Präzisionssystemen reduzieren?

Dies sind einige fortschrittliche Techniken zur Reduzierung des Rauschens in Präzisionssystemen:

1. Zahnprofiloptimierung
2. Materialdämpfung
3. Mikrogeometriekorrekturen

Warum sind Sonderanfertigungen so teuer und schwer zu finden?

Die kundenspezifischen Zahnräder sind teuer und aufgrund ihrer komplexen Herstellung schwer zu finden. Ihre Konstruktionen sind komplex, und für ihre Herstellung sind entsprechende moderne Maschinen erforderlich.

Warum genügen „Standard“-Getriebe nicht den modernen Anforderungen?

Dafür gibt es viele Gründe, zum Beispiel:

1. In der Transportbranche ist geringes Gewicht die wichtigste Anforderung. Standardgetriebe sind nicht leicht und passen daher nicht.
2. Standardgetriebe verwenden keine fortschrittlichen Materialien
3. Die Geometrie dieser Zahnräder ist in modernen Maschinen nicht verwendbar

Warum kosten Zahnräder in Kleinserien mehr?

Aufgrund der geringen Stückzahl sind Kleinseriengetriebe teurer. Ein Beispiel hierfür ist die folgende Tabelle:

Alternativen: Bausätze vs. 3D-Druck

Modulare Getriebebausätze sind vorgefertigte Zahnmodule, die 50 % günstiger sind als Sonderanfertigungen.

Der 3D-Druck verwendet fortschrittliche Materialien wie SLS-Nylon für die Zahnradherstellung und kann auch für komplexe Geometrien eingesetzt werden. Die Werkzeugkosten betragen 0 pro Tag.

Fazit

In diesem Artikel haben wir Zahnräder, ihre Typen, Zahndesigns usw. besprochen. Wir können feststellen, dass Zahnräder wichtige Komponenten jeder Maschine sind, vom Fahrrad bis zum Flugzeug. Zahnräder sind Spezialwerkzeuge für die Kraftübertragung, tragen aber auch zur Konstruktion von Robotern bei. Viele fortschrittliche Materialien, wie Verbundwerkstoffe, und fortschrittliche Technologien wie der 3D-Druck, werden in der Robotik zur Herstellung von Spezialzahnrädern eingesetzt.

Häufig gestellte Fragen

Welche drei Verwendungsmöglichkeiten gibt es für Zahnräder?

1. Geschwindigkeitsanpassung
2. Drehmomentvervielfachung
3. Änderung der Bewegungsrichtung

Welcher Ausrüstungstyp ist am häufigsten?

Stirnräder haben einen einfachen Aufbau, funktionieren aber effizient. Deshalb sind Stirnräder die am häufigsten verwendete Getriebeart.