Wie man ein geschmiedetes Stirnrad konstruiert

Bevor Sie mit der Konstruktion Ihres eigenen Stirnrads beginnen, sollten Sie dessen Hauptkomponenten kennen. Dazu gehören Schmiedeteile, Keilwellen, Verzahnungen, Gewindestifte und weitere Ausführungen. Das Verständnis der Unterschiede zwischen diesen Stirnradtypen ist entscheidend für eine fundierte Entscheidung. Lesen Sie weiter, um mehr zu erfahren. Zögern Sie nicht, mich bei Fragen zu kontaktieren! Im Folgenden finden Sie einige hilfreiche Tipps und Tricks zur Konstruktion eines Stirnrads. Ich hoffe, sie helfen Ihnen, Ihr Wunsch-Stirnrad zu konstruieren.

Schmieden von Stirnrädern

Das Schmieden von Stirnrädern ist einer der wichtigsten Prozesse bei der Herstellung von Getriebekomponenten für Kraftfahrzeuge. Der Fertigungsprozess ist komplex und umfasst mehrere Schritte, darunter das Kugelschmieden des Rohlings, das Warmschmieden, das Glühen, das Phosphatieren und das Verseifen. Als Werkstoff für Stirnräder wird typischerweise 20CrMnTi verwendet. Der Prozess wird durch ein kontinuierliches Strangpressverfahren mit Werkzeugen abgeschlossen, die auf die Länge des Kalibrierbandes L und die Dicke des Teilungswinkels T ausgelegt sind.
Beim Schmieden von Stirnrädern kann auch Polyacetal (POM) zum Einsatz kommen, ein hochfester Kunststoff, der häufig für die Zahnradherstellung verwendet wird. Dieses Material lässt sich leicht formen und ist nach dem Härten extrem steif und abriebfest. Für Stirnräder werden verschiedene Metalle und Legierungen verwendet, darunter Schmiedestahl, Edelstahl und Aluminium. Nachfolgend sind die verschiedenen in der Zahnradfertigung verwendeten Werkstoffe sowie ihre Vor- und Nachteile aufgeführt.
Die Zahngröße eines Stirnrads wird in Moduln (m) gemessen. Jede Zahl gibt die Zähnezahl des Zahnrads an. Mit zunehmender Zähnezahl steigt auch die Zahngröße. Generell gilt: Je höher die Zähnezahl, desto größer der Modul. Ein Zahnrad mit hohem Modul hat einen großen Eingriffswinkel. Wichtig ist außerdem, dass Stirnräder denselben Modul wie die angetriebenen Zahnräder haben müssen.

Stirnräder mit Stellschraube

Eine moderne Industrie kann ohne Stirnräder mit Stellschrauben nicht funktionieren. Diese Zahnräder sind hocheffizient und finden in einer Vielzahl von Anwendungen Verwendung. Ihre Konstruktion erfordert die Berechnung von Drehzahl und Drehmoment, beides entscheidende Faktoren. Das MEP-Modell berücksichtigt beispielsweise die sich ändernde Steifigkeit eines Zahnpaares entlang seiner Bahn. Die Ergebnisse dienen zur Bestimmung des benötigten Stirnradtyps. Nachfolgend finden Sie einige Tipps zur Auswahl eines Stirnrads:
Typ A. Diese Zahnradart besitzt keine Nabe. Das Zahnrad selbst ist flach und hat eine kleine Bohrung in der Mitte. Gewindestiftzahnräder werden am häufigsten für leichte Anwendungen ohne Lasten eingesetzt. Die Materialstärke kann zwischen 0,25 mm und 3 mm variieren. Gewindestiftzahnräder werden auch in großen Maschinen verwendet, die robust und langlebig sein müssen. Dieser Artikel bietet eine Einführung in die verschiedenen Arten von Stirnrädern und deren Unterschiede.
Stiftnabe. Stiftnaben-Stirnräder verwenden eine Stellschraube zur Befestigung des Stifts. Diese Zahnräder werden häufig mittels Passstiften, Federstiften oder Rollstiften mit einer Welle verbunden. Der Stift wird mit dem exakten Durchmesser gebohrt, um in das Zahnrad zu passen und ein Lösen zu verhindern. Stiftnaben-Stirnräder weisen geringe Toleranzen auf, da die Bohrung nicht groß genug ist, um die Welle vollständig zu umschließen. Diese Zahnradart ist in der Regel die teuerste der drei.

Keilwellen-Stirnräder

In der modernen Industrie werden Stirnradgetriebe häufig zur Kraftübertragung eingesetzt. Diese Getriebearten bieten einen hohen Wirkungsgrad, können aber Leistungsverluste aufweisen. Diese Verluste müssen im Konstruktionsprozess abgeschätzt werden. Ein wichtiger Bestandteil dieser Analyse ist die Berechnung der Kontaktfläche (2b) des Zahnradpaares. Dieser Wert ist jedoch nicht unbedingt auf jedes Stirnrad anwendbar. Nachfolgend einige Beispiele zur Berechnung dieser Fläche (siehe Abbildung 2).
Stirnräder zeichnen sich durch parallel zur Welle und Achse verlaufende Zähne aus. Eine Umfangsgeschwindigkeit von bis zu 25 m/s gilt als hoch. Zudem sind sie effizienter als Schrägverzahnungen gleicher Größe. Im Gegensatz zu Schrägverzahnungen gelten Stirnräder im Allgemeinen als formschlüssige Verzahnungen. Sie werden häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen die Geräuschdämpfung keine Rolle spielt. Aufgrund ihrer Symmetrie eignen sich Stirnräder besonders für Anwendungen, die eine konstante Drehzahl erfordern.
Neben der Verwendung eines schrägverzahnten Stirnrads für die Kraftübertragung kann das Zahnrad auch eine Standardzahnform aufweisen. Im Gegensatz zu schrägverzahnten Stirnrädern besitzen Stirnräder mit Evolventenverzahnung dicke Zahnfüße, die den Zahnverschleiß minimieren. Diese Zahnräder lassen sich problemlos mit herkömmlichen Fertigungswerkzeugen herstellen. Die Evolventenverzahnung ist ideal für die Kleinserienfertigung und zählt zu den gängigsten Stirnradtypen.

Keilwellen-Stirnräder

Bei der Betrachtung der verschiedenen Arten von Stirnrädern ist es wichtig, die Unterschiede zwischen den beiden Typen zu kennen. Ein Stirnrad, auch Evolventenrad genannt, erzeugt Drehmoment und reguliert die Drehzahl. Es findet sich am häufigsten in Automotoren, wird aber auch in Alltagsgeräten eingesetzt. Einer der größten Nachteile von Stirnrädern ist jedoch ihre Geräuschentwicklung. Da bei Stirnrädern immer nur ein Zahn gleichzeitig ineinandergreift, entstehen hohe Belastungen und Geräusche, wodurch sie für den täglichen Gebrauch ungeeignet sind.
Das Diagramm der Kontaktspannungsverteilung stellt die Flankenfläche jedes Zahnradzahns sowie den Abstand in axialer und Profilrichtung dar. Eine hohe Kontaktfläche befindet sich in Richtung der Zahnradmitte, bedingt durch die Mikrogeometrie des Zahnrads. Ein positiver l-Wert bedeutet, dass keine Fehlausrichtung der Keilwellenverzahnung an der Kontaktfläche mit der Helixseite vorliegt. Negative l-Werte verhalten sich entsprechend anders.
Abdul und Dean untersuchten mithilfe einer oberen Schrankenmethode das Schmieden von Stirnradformen. Sie gingen von einem geradlinigen Zahnprofil aus. Außerdem analysierten sie den dimensionslosen Schmiededruck einer Keilwelle. Keilwellen-Stirnräder werden häufig in Motoren, Getrieben und Bohrmaschinen eingesetzt. Die Festigkeit von Stirnrädern und Keilwellen hängt primär von ihren Radien und Zahndurchmessern ab.
Stirnräder aus Edelstahl SUS303 und SUS304

Stirnräder aus Edelstahl werden mit verschiedenen Verfahren hergestellt, die vom Material und der Anwendung abhängen. Das gängigste Verfahren ist das Zerspanen. Weitere Verfahren sind Walzen, Gießen und Schmieden. Kunststoff-Stirnräder werden je nach Produktionsmenge im Spritzgussverfahren hergestellt. Stirnräder aus Edelstahl SUS303 und SUS304 können aus verschiedenen Materialien gefertigt werden, darunter Baustahl S45C, Grauguss FC200, Nichteisenmetall C3604, technischer Kunststoff MC901 und Edelstahl.
Die Unterschiede zwischen Stirnrädern aus Edelstahl 304 und 303 liegen in ihrer Zusammensetzung. Beide Edelstahlsorten haben zwar ein ähnliches Design, unterscheiden sich aber in ihrer chemischen Zusammensetzung. In China und Japan werden die Bezeichnungen SUS304 und SUS303 verwendet, die auf die unterschiedlichen Zusammensetzungen hinweisen. Wie die meisten Edelstahlsorten sind auch diese beiden Sorten für industrielle Anwendungen wie Planeten- und Stirnräder konzipiert.

Stirnräder aus Edelstahl

Bei der Auswahl eines Stirnrads aus Edelstahl sind verschiedene Merkmale zu beachten, darunter die Teilung, die Zähnezahl pro Durchmesser und die Winkelgeschwindigkeit der Zähne. All diese Aspekte sind entscheidend für die Leistungsfähigkeit eines Stirnrads, und die korrekten Maßangaben sind für dessen Konstruktion und Funktion unerlässlich. Fachleute sollten die Fachbegriffe für Stirnradbauteile kennen, um sowohl in der Produktion als auch bei Bestellungen Klarheit zu gewährleisten.
Ein Stirnrad ist ein präzisionsgefertigtes Zylinderrad mit parallel angeordneten Zähnen. Es findet in verschiedenen Anwendungen Verwendung, beispielsweise in Außenbordmotoren, Winden, Baumaschinen, Gartengeräten, Turbinenantrieben, Pumpen, Zentrifugen und einer Vielzahl anderer Maschinen. Stirnräder werden typischerweise aus Edelstahl gefertigt und zeichnen sich durch hohe Langlebigkeit aus. Sie sind die am häufigsten verwendete Zahnradart.
Stirnräder aus Edelstahl sind in vielen verschiedenen Formen und Größen erhältlich. Sie bestehen in der Regel aus den Edelstahlsorten SUS304 oder SUS303, die sich durch ihre hohe Bearbeitbarkeit auszeichnen. Anschließend werden sie wärmebehandelt, beispielsweise durch Nitrieren oder induktives Oberflächenschleifen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Zahnrädern, die nach der Wärmebehandlung geschliffen werden müssen, weisen Stirnräder aus Edelstahl einen geringen Verschleiß und eine hohe Bearbeitbarkeit auf.

Bearbeitet von CX am 17.10.2023