Hypoidgetriebe

Hypoidgetriebe sind eine einzigartige Kategorie von Spiralkegelrädern, die zur Übertragung von Drehkraft zwischen zwei Wellen im rechten Winkel verwendet werden. Hypoidgetriebe wurden Anfang der 1920er Jahre von Ernest Wildhaber erfunden und hauptsächlich im Antriebsstrang schwerer Lastkraftwagen eingesetzt.

Das Geniale an der Erfindung war damals der Versatz zwischen den Getriebewellen, der es ermöglichte, den LKW-Rahmen abzusenken. Diese Entwicklung hatte tiefgreifende Auswirkungen auf das Fahrzeugdesign und führte zu erheblichen Verbesserungen des verfügbaren Platzes im Fahrzeug, der Rollstabilität, des Fahrzeughandlings, der Sicherheit, der Aerodynamik und des Kraftstoffverbrauchs. Obwohl Hypoidgetriebe immer noch in dieser Funktion eingesetzt werden, sind sie auch in der industriellen Kraftübertragung und Bewegungssteuerung zunehmend vertreten.

Hypoidgetriebe können als eine Art Kegelradgetriebe klassifiziert werden, das zur Übertragung von Drehkraft oder Drehmoment zwischen zwei Wellen im rechten Winkel verwendet wird. Es gibt zwei Hauptkategorien von Kegelrädern: gerade Zähne und spiralförmige Zähne. Kegelräder mit Spiralverzahnung laufen nachweislich sanfter und leiser als Kegelräder mit geraden Zähnen, und es sind diese Spiralkegelräder, denen Hypoide am ähnlichsten sind.

Im Gegensatz zu Standard-Kegelrädern kreuzen sich die gepaarten Zahnradwellen bei Hypoidradsätzen nicht, da die kleinere Zahnradwelle (Ritzel genannt) gegenüber der größeren Zahnradwelle (Zahnkranz genannt) versetzt ist. Es sind diese sich nicht überschneidenden Achsen, die Herr Wildhaber mit Blick auf die Hinterachse entworfen hat und die zu den oben beschriebenen Leistungsverbesserungen des Fahrzeugs führten.

Der Achsversatz ermöglicht einen größeren Ritzeldurchmesser und einen größeren Spiralwinkel, als dies sonst möglich wäre, was die Kontaktfläche und die Zahnfestigkeit erhöht. Der Spiralwinkel zwischen Ritzel und Krone sorgt dafür, dass die Zahnräder sehr sanft ineinander greifen. Die vergrößerte Kontaktfläche und Zahnstärke ermöglichen einen größeren Übersetzungsbereich und die Möglichkeit, höhere Drehmomente zu übertragen.

Zu den weiteren Vorteilen, die sich aus dem größeren Spiralwinkel und der Kontaktfläche zwischen Hypoid-Zahnradsätzen ergeben, gehören geringerer Verschleiß, geringere Reibung, geringerer Energieverlust und höherer Wirkungsgrad, die alle dazu beitragen, die Lebensdauer von Hypoid-Zahnrädern und Getrieben zu verlängern.

Aufgrund ihres größeren Spiralwinkels und ihrer Zahnstärke können Hypoidräder Lasten über mehrere Zähne gleichzeitig übertragen. Die durchschnittliche Anzahl der gleichzeitig in Kontakt stehenden Hypoidzahnradzähne beträgt 2,2:1 bis 2,9:1. Bei Kegelrädern hingegen wird jeweils ein Zahn nach dem anderen belastet. Durch den größeren Zahn-zu-Zahn-Kontakt können Hypoidräder im Vergleich zu Kegelrädern ähnlicher Größe ein größeres Drehmoment übertragen. Hypoidgetriebe und Getriebe übertragen nicht nur ein höheres Drehmoment, sondern sind tendenziell kleiner und kompakter als Kegelradgetriebe mit gleichwertigen Drehmomentwerten, was sie zu einer besseren Wahl für Anwendungen mit engen Platzverhältnissen macht.

Kegelräder und Kegelradgetriebe werden am häufigsten mit Übersetzungsverhältnissen von 1:1 und 2:1 angeboten, wobei einige Hersteller Übersetzungsverhältnisse bis zu 5:1 anbieten. Im Gegensatz dazu bieten Hypoidgetriebe keine Lösungen für 1:1- und 2:1-Anwendungen. Sie erreichen jedoch effizient Übersetzungsverhältnisse von 3:1 bis 10:1 und bieten so mehr Übersetzungsoptionen mit einer einzigen Gangstufe. Untersetzungsverhältnisse sind geschwindigkeitsrelevant, wobei Hypoidgetriebe gegenüber Kegelradgetrieben einen weiteren wesentlichen Vorteil haben. Die meisten Kegelradgetriebe bewältigen Drehzahlen über 1.500 U/min nicht ohne Überhitzung, während Hypoidgetriebe Dauereingangsdrehzahlen bis zu 3.000 U/min erreichen können.

Der Eingriff zwischen den Hypoid-Zahnradsätzen erfolgt gleitend, was zu einer sehr sanften und leisen Übertragung führt. Dadurch können höhere Lasten bei geringerem Geräuschpegel übertragen werden als bei Kegelrädern, die bei höheren Drehzahlen lauter werden.

Hypoidgetriebe bieten mehr Übersetzungsverhältnisse, höhere Drehmomentkapazitäten, höhere Laufgeschwindigkeiten und weniger Lärm als ihre Gegenstücke mit Kegelradgetriebe. Allerdings sind Hypoidgetriebe in der Regel weniger effizient (90 bis 95 %) als ein ähnlicher Satz Spiralkegelräder, deren Wirkungsgrad bis zu 99 % betragen kann. Der Wirkungsgrad von Hypoidgetrieben nimmt mit zunehmendem Achsversatz ab und es muss besonderes Augenmerk auf die Schmierung gelegt werden, um Getriebeverschleiß durch die Gleitwirkung der Hypoidzahnräder zu verhindern. Hypoide erfordern eine Schmierung mit Hochdruckadditiven, während Kegelräder mit Standard-Getriebefett oder -öl betrieben werden können.

Kompakte Kegelradgetriebe haben gegenüber Hypoidgetrieben einen weiteren Vorteil. Kegelradkästen bieten mehrere Wellenoptionen; Viele Kegelradgetriebe sind in Konfigurationen mit 2, 3 und 4 Wellen erhältlich. Wenn eine Anwendung ein 1:1- oder 2:1-Getriebe, ein Getriebe mit 3 oder 4 Ausgängen oder Wirkungsgrade über 95 % erfordert, sind Kegelräder möglicherweise die beste Option. Außerhalb dieser Kriterien ersetzen Hypoidgetriebe in einer Reihe von Anwendungen Kegelräder.

Die andere beliebte Art von rechtwinkligem Getriebe, in die Hypoide vordringen, ist die Schneckengetriebetechnologie. Schneckengetriebe waren jahrzehntelang die beliebte Wahl zur rechtwinkligen Drehzahlreduzierung, da sie robust und relativ kostengünstig sind. Aufgrund des günstigen Kosten-Drehmoment-Verhältnisses und der Möglichkeit, eine große Auswahl an Übersetzungsverhältnissen in einer Stufe anzubieten – typischerweise von 3:1 bis 100:1 – werden Schneckengetriebe in einer Reihe von Fertigungsindustrien häufig eingesetzt. Heutzutage können Hypoidgetriebe jedoch aus vielen Gründen eine bessere Alternative sein.

Während Hypoidgetriebe einen großen Geschwindigkeitsvorteil gegenüber Schneckengetrieben haben, ist der wirkungsvollste Unterschied zwischen diesen beiden Getriebearten die Effizienz. Im Vergleich zu Schneckengetrieben übertragen Hypoidgetriebe die Kraft weitaus effizienter, insbesondere bei hohen Untersetzungsverhältnissen und niedrigen Drehzahlen. Die meisten Hypoide haben einen Wirkungsgrad zwischen 90 % und 95 % im Vergleich zu ähnlich großen Schneckengetrieben, die zwischen 40 % und 85 % schwanken. Darüber hinaus bleibt der Wirkungsgrad des Hypoidgetriebes über einen weiten Bereich von Übersetzungsverhältnissen und Drehzahlen konstant, während der Wirkungsgrad von Schneckengetrieben je nach Übersetzungsverhältnis und Drehzahl variiert.

Eine höhere Effizienz hat viele Vorteile, angefangen bei der Energieeinsparung. Höhere Effizienz bedeutet, dass kleinere Motoren zum Antrieb von Maschinen verwendet werden können, wodurch die Anschaffungskosten im Vorfeld sowie die langfristigen Energie- und Wartungskosten gesenkt werden. Der Wirkungsgrad wirkt sich auch auf die Wärmeerzeugung aus. Hypoidgetriebe laufen wesentlich kühler als Schneckengetriebe, was zu einem Vorteil bei der erwarteten Lebensdauer der Getriebe führen kann.

Der Trend geht heute dahin, alles kleiner und effizienter zu machen, und Hypoide helfen dabei, diese Ziele zu erreichen. Der Effizienzvorteil, den Hypoide gegenüber Schneckengetrieben haben, ist erheblich und Hypoide sind weitaus kompakter und passen in engere physische Räume als eine Schneckengetriebeanordnung mit ähnlicher Drehmomentkapazität. Wie oben erwähnt, können Maschinen aufgrund höherer Wirkungsgrade kleinere, kostengünstigere Motoren verwenden, was den Platzbedarf der Maschine weiter reduziert. Zeit kostet Geld und Platz auch, was Hypoidgetrieben einen weiteren Vorteil gegenüber Schneckengetrieben verschafft.

Schnecken- und Schneckenradgetriebe haben gegenüber Hypoidgetrieben einige Vorteile. Schneckengetriebe können bei einstufigen Getrieben Übersetzungsverhältnisse von bis zu 100:1 oder mehr liefern, während die meisten Hersteller bei einstufigen Getrieben Hypoidgetriebe von bis zu 10:1 anbieten. Aufgrund der Ineffizienz und der hohen Übersetzungsverhältnisse von Schneckengetrieben sind viele Schneckengetriebeanwendungen selbsthemmend, sodass kein Haltemoment oder eine externe Bremse erforderlich ist. Mit Wirkungsgraden von bis zu 95 % sind Hypoidgetriebe nicht selbsthemmend; Es ist möglich, dass das Getriebe rückwärts fährt, wenn kein Haltemoment oder keine Bremse vorhanden ist.

Der Anschaffungspreis von Hypoidgetrieben kann auch höher sein als bei vergleichbaren Schneckengetrieben und Getrieben. Die zahlreichen Leistungsvorteile von Hypoidgetrieben – wie höhere Effizienz, höhere Präzision, höhere Geschwindigkeit, höhere Drehmomentkapazität und kleinerer Platzbedarf – könnten sich jedoch im Laufe der Zeit als kosteneffizienter erweisen. Im Hinblick auf erstklassige Leistung und langfristige Kosteneinsparungen sind Hypoidgetriebe zu einer attraktiven Alternative zu Schneckengetrieben geworden, und die zunehmende Verbreitung von Hypoidgetrieben in der Kraftübertragungsindustrie ist ein Beweis dafür.

Ein weiterer enormer Vorteil des Hypoidgetriebes gegenüber Kegelrädern und Schneckengetrieben ist die Präzision oder Genauigkeit, die im Zahnspiel gemessen wird. Kegelräder, insbesondere Spiralkegelräder, können in Sätzen hergestellt werden, um eine hohe Genauigkeit bis zu einem Spiel von etwa 6 Bogenminuten zu erreichen. Die meisten Schnecken- und Schneckenradgetriebe weisen jedoch ein weitaus größeres Spiel im Zahneingriff auf, sodass sie für viele Anwendungen, die über die Kraftübertragung hinausgehen, ungeeignet sind.

Mit Hypoidgetrieben können Spielspezifikationen von nur 3 Bogenminuten erreicht werden, was sie weitaus genauer macht als Kegel- oder Schneckengetriebeanordnungen. Dieses Maß an Präzision, kombiniert mit den vielen anderen etablierten Vorteilen, hat es Hypoidgetrieben ermöglicht, über die Kraftübertragung hinauszugehen und in den Markt für Bewegungssteuerung vorzudringen.

Hypoidgetriebe werden heute häufig in einem breiten Spektrum von Automatisierungs- und Bewegungssteuerungsanwendungen eingesetzt. Ihre Leistungsmerkmale machen sie ideal für Anwendungen mit niedriger und hoher Geschwindigkeit sowie für Anwendungen mit hoher Taktrate, die höchste Präzision erfordern. Hypoidgetriebe sind in ein- und zweistufiger Ausführung erhältlich und verfügen über eine Planetengetriebestufe. Sie bieten einen breiten Übersetzungsbereich von 3:1 bis 100:1.

Präzisionsplanetengetriebe sind seit vielen Jahren in der Motion-Control-Branche präsent. Um eine Reihenplanetenanordnung in ein rechtwinkliges Untersetzungsgetriebe umzuwandeln, haben die Getriebehersteller einen Satz Spiralkegelräder eingebaut, um die 90-Grad-Drehung zu ermöglichen. In den letzten Jahren wurden diese Kegelradsätze in mehrstufigen Winkelplanetengetrieben durch Hypoidgetriebe ersetzt, was zu kompakteren, effizienteren und präziseren Getrieben führte.

Die meisten Hersteller haben Motorflansche am Eingang dieser Hypoidgetriebe entwickelt, um die direkte Montage verschiedener Motoren, einschließlich metrischer und NEMA-Servomotoren, am Getriebegehäuse zu ermöglichen. Ob in einem einstufigen Winkelgetriebe oder in Verbindung mit Planetenstufen: Hypoidgetriebe erfreuen sich in der Bewegungssteuerungsbranche einer wachsenden Präsenz.

Es ist unwahrscheinlich, dass Ernest Wildhaber vorhersehen konnte, dass seine Erfindung weit über den Antriebsstrang von Fahrzeugen hinaus in die Welt der industriellen Kraftübertragung und Bewegungssteuerung Einzug halten würde. Betrachtet man die Konstruktionsmerkmale von Hypoidgetrieben, wird deutlich, warum diese Technologie ein so bedeutendes Wachstum verzeichnet hat.

Kompakt, hohe Geschwindigkeit, hohes Drehmoment, hoher Wirkungsgrad, extreme Präzision, geringe Geräuschentwicklung, geringe Wärmeentwicklung und lange Lebensdauer – diese Leistungsmerkmale sind Synonym für Hypoidgetriebe und -getriebe. Die Kombination dieser Eigenschaften hat Hypoidgetriebe zu einer immer beliebter werdenden Lösung zur Geschwindigkeitsreduzierung für die wachsenden Anforderungen der heutigen Kraftübertragungs- und Bewegungssteuerungsindustrie gemacht.

Dieser Artikel wurde von Candy Controls, Niles, IL verfasst. Weitere Informationen finden Sie hier.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Dezemberausgabe 2021 des Motion Design Magazine.

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