Kegelrad
Englisch: bevel gear
Eine Zahnradart, bei der die beiden zusammenarbeitenden Räder in verschiedenen Ebenen liegen und ihre Zähne rechtwinklig zu den Flächen zweier Kegel geschnitten sind, deren Spitzen mit dem Punkt zusammenfallen, in dem sich die Achsen der Räder treffen würden.
Kegelrad: abgewinkelte Zähne für senkrechte Wellen
Ein Kegelrad überträgt Bewegung und Kraft zwischen zwei Wellen, deren Achsen nicht parallel verlaufen und typischerweise im rechten Winkel aufeinander treffen. Anders als Stirnräder, die nebeneinander auf parallelen Wellen sitzen, sind die Zähne eines Kegelrads in einen konusförmigen Körper geschnitten, der einem Kegelbschnitt ähnelt. Wenn zwei Kegelräder ineinandergreifen, ermöglichen ihre konischen Formen ein sanftes Zahneingriff, obwohl die Wellen in verschiedene Richtungen zeigen. Der Winkel zwischen den Wellen kann je nach Kegelwinkel der gepaarten Räder zwischen 45 Grad und 120 Grad oder mehr liegen.
Die Geometrie von Kegelrädern erfordert Präzision. Jeder Zahn ist ein gekrümmtes Segment, das in die Kegeloberfläche geschnitten ist und im richtigen Winkel zu seinem Gegenzahn ausgerichtet, damit dieser nicht klemmt oder durchrutscht. Die häufigste Form ist das gerade Kegelrad, bei dem die Zähne gerade über die Kegelfläche laufen. Spiralkegelräder führen die Zähne in einer Schraubenlinie, bieten sanfteres Zahneingriff und höhere Tragfähigkeit, erfordern aber aufwendigere Herstellung und erzeugen Axialkräfte. Zerol-Kegelräder haben gekrümmte Zähne, die keine Axialkräfte erzeugen. Hypoid-Räder, eine Variante, haben Achsen, die sich nicht schneiden; sie sind gegeneinander versetzt angeordnet und können platzsparender verbaut werden, weshalb sie in Fahzeugdifferentialen beliebt sind, wo Platz knapp ist.
Wo Kegelräder zum Einsatz kommen
Kegelräder finden sich überall dort, wo senkrechte Wellen Kraft effizient übertragen müssen. Fahzeugdifferentiale sind das sichtbarste Beispiel: das kleine Kegelritzel auf der Antriebswelle greift in das größere Tellerrad ein, lenkt das Motormoment auf die Räder um und ermöglicht dabei unterschiedliche Drehzahlen in Kurven. Industrielle Bohrmaschinen nutzen Kegelräder, um die vertikale Spindel mit horizontalen Vorschubtrieben zu verbinden. Druckmaschinen, Papiermühlen und Werkzeugmaschinen setzen alle auf Kegelräder, um die Kraftübertragung in engen Räumen umzulenken, wo Riemen oder Kettentriebe unpraktisch wären.
Die Herstellung von Kegelrädern ist ein spezialisierter Prozess. Zähne werden auf einer Kegelrad-Wälzmaschine geschnitten, die das virtuelle Kronenrad über den Rohling wälzt. Der Werkzeugweg muss die Kegelgeometrie berücksichtigen; der kleinste Fehler bei der Einrichtung führt zu Rädern, die unter Last klemmen oder vorzeitig versagen. Das Material ist üblicherweise legierter Stahl, gehärtet und angelassen für Industrieanwendungen, oder Gusseisen für niedrigere Drehzahlen und geringere Kosten. Die Kontrolle erfordert sorgfältige Messung der Zahnkontaktmuster unter Last, um die richtige Eingriffgeometrie zu sichern.
Kegelräder erzeugen Axialkräfte entlang der Wellenachse, ein Nachteil im Vergleich zu Schrägverzahnungen auf parallelen Wellen. Das bedeutet, Wälzlager müssen für radiale und axiale Kräfte ausgelegt sein. Lärm und Vibration von Kegelradgetrieben liegen üblicherweise über denen von Stirnrädern oder Schrägverzahnungen, besonders bei gerade gezahnten Ausführungen, wegen der Art, wie Zähne über die Kegeloberfläche eingreifen. Schmierung ist entscheidend; Hypoid-Räder benötigen besonders Hochdruck-Schmieröl (EP-Öl) mit speziellen Zusätzen, um Zahnfressen unter den hohen Kontaktspannungen am Eingriffspunkt zu verhindern.