Mechanismen: Zahnräder

Schon vor der industriellen Revolution wurden Mechanismen der einen oder anderen Art sowohl für als auch gegen uns eingesetzt. Von alten Wasserrädern und Windmühlen, die Getreide mahlen und Flachs zerstampften, bis hin zu den Antriebssträngen, die Kriegsmaschinen antreiben, von Belagerungsmaschinen bis hin zu Kampfpanzern – Zahnräder waren wesentliche Bestandteile fast aller jemals gebauten mechanischen Geräte. Im nächsten Teil unserer Serie über Mechanismen werfen wir einen kurzen Blick auf Zahnräder und ihre Anwendungen.

Wie so oft ist die Evolution der beste Erfinder, und ein Zahnradmechanismus, der die Hinterbeine junger Zwergzikadeninsekten verbindet, ist einige Milliarden Jahre älter als die Erfindung der Zahnräder durch den Menschen. Die menschliche Nutzung von Zahnrädern reicht mindestens bis ins China des 3. Jahrhunderts v. Chr. zurück, und die Technologie verbreitete sich schnell und weit. Innerhalb weniger hundert Jahre hatten präzise bearbeitete Metallzahnräder den Bau komplexer Getriebegeräte wie des Antikythera-Mechanismus in Griechenland ermöglicht.

Im einfachsten Fall ist ein Zahnrad nichts anderes als ein Rad, in dessen Umfang eine Art Zähne eingeschnitten sind. Die Zähne sind so dimensioniert und geformt, dass sie mit den Zähnen anderer mechanischer Elemente kämmen, um ein Drehmoment zu übertragen. Mehrere in Reihe geschaltete Zahnräder werden als Getriebezug bezeichnet. Wenn die Durchmesser der Zahnräder im Getriebezug unterschiedlich sind, ist das übertragene Drehmoment proportional zur Differenz. Wenn also das Antriebsrad einen Durchmesser von 1 cm und das Abtriebsrad einen Durchmesser von 10 cm hat, erhöht das Getriebe das Drehmoment um das Zehnfache und reduziert gleichzeitig die Drehzahl um den Faktor 10.

Um dem entgegenzuwirken, können Zähne schräg zur Drehachse geschnitten werden. Durch eine solche Schrägstellung der Zähne am Umfang des Zahnrads entsteht ein schräges Muster, daher der Name Schrägstirnrad. Schrägverzahnungen sind nicht nur leiser, sie können auch gekreuzt werden, um die Kraft im rechten Winkel zu übertragen. Der Nachteil besteht darin, dass Schrägverzahnungen aufgrund der schrägen Zähne Schub entlang ihrer Achsen ausüben. Der Schub kann durch den Einsatz von Axiallagern wie Kegelrollenlagern oder durch den Einsatz von zwei Schrägverzahnungen mit entgegengesetzter Zahnrichtung auf derselben Welle ausgeglichen werden, um den Axialschub aufzuheben. Dadurch entsteht das wunderschöne Fischgrätengetriebe, das in vielen Hochleistungsanwendungen wie Windkraftanlagen zu finden ist.

Die Herstellung von Metallzahnrädern war lange Zeit ein komplexer Prozess, der mehrere Bearbeitungsschritte erforderte, um Zähne mit der gewünschten Geometrie herzustellen. Zähne können durch eine Vielzahl von Bearbeitungsvorgängen wie Räumen, Fräsen, Formen oder Schleifen geschnitten werden.

Das Schneiden von Zahnrädern ist jedoch zeitaufwändig und teuer, weshalb die meisten Zahnräder heutzutage durch eine Art Formverfahren hergestellt werden. Kunststoffzahnräder, wie wir sie beim Blick in das Innere eines Elektrowerkzeugs dieser Preisklasse nur ungern sehen, lassen sich leicht im Spritzgussverfahren herstellen und können trotz ihres schlechten Rufs zu perfekt funktionsfähigen, wenn auch nicht besonders langlebigen Getriebesätzen führen. Aber auch Metallzahnräder können geformt werden, wobei Zahnräder aus pulverisiertem Metall mittlerweile einen großen Marktanteil einnehmen.

Zahnräder aus pulverisiertem Metall werden hergestellt, indem eine Form mit sehr feinem Metalllegierungspulver gefüllt wird, das mit Bindemitteln und Schmiermitteln vermischt ist. Das Pulver in der Form wird durch einen hydraulischen Stößel mit einem Werkzeug komprimiert, das der Form der Form entspricht, und der enorme Druck verschmilzt die Metallpartikel zu einem Feststoff, der stark genug ist, um gehandhabt zu werden. Anschließend werden die Rohteile erhitzt, um die Partikel dauerhaft zum endgültigen Metallteil zu verschmelzen, das in vielen Fällen ohne weitere Bearbeitung einsatzbereit ist.

Während Pulvermetallurgie für die meisten Heimwerkstätten unerreichbar ist, ist die Herstellung von DIY-Zahnrädern durchaus für jeden machbar, der Zugang zu einigen einfachen Werkzeugmaschinen hat. Wir werden nie genug davon bekommen, [Chris] dabei zuzusehen, wie er die Zahnräder und Ritzel der Clickspring-Uhr bearbeitet, und während diese Zahnräder für die Welt der Messtechnik hochspezialisiert sind, gelten viele der gleichen Prinzipien auch für Zahnräder für andere Anwendungen. Der 3D-Druck macht auch kundenspezifische Getriebe möglich, und die Ergebnisse können unter den richtigen Bedingungen überraschend robust sein. Und vergessen Sie nicht die CNC-Fräsmaschinen, die große und kleine Zahnräder aus allen möglichen Materialien herstellen.

Es ist schwierig, auch nur an der Oberfläche dessen zu kratzen, was in der Technik hinter Zahnrädern steckt – Zahngeometrie, Eingriffswinkel, Kontaktlinien – und wir können auch nicht die wirklich interessanten Zahnräder wie harmonische Antriebe und Planetenräder behandeln. Aber das ist zumindest ein Anfang und ein Vorgeschmack darauf, was Sie erwartet, wenn Sie anfangen, Ihren Builds Ausrüstung hinzuzufügen. Öffne die Schleusen zu tollen Ausrüstungsprojekten in den Kommentaren!