Zahnrad

Ein Zahnrad ist ein mechanisches Bauteil mit Zähnen, die um seinen äußeren Rand geschnitten oder geformt sind. Es ist dafür ausgelegt, mit einem anderen gezahnten Rad zu kämmen und so Rotationsleistung und Bewegung zu übertragen. Die Zähne greifen in einem kontrollierten, sich wiederholenden Kontaktmuster ineinander und wandeln das Drehmoment von einer rotierenden Welle auf eine andere um oder ändern die Drehzahl und Rotationsrichtung zwischen zwei Achsen.

Die Zähne sind das entscheidende Merkmal. Sie sind typischerweise gleichmäßig um den Umfang des Rades verteilt und nach einem bestimmten Profil geschnitten, am häufigsten nach einer Involventenkurve. Der Teilkreisdurchmesser, das Modul (oder die Zahnstangenteilung in imperialen Systemen) und der Druckwinkel bestimmen, ob zwei Räder glatt ineinander greifen. Wenn ein Antriebsrad dreht, drücken seine Zähne nacheinander gegen die Zähne des getriebenen Rades und erzeugen einen mechanischen Vorteil. Das Verhältnis der Zähne zwischen den Rädern setzt das Übersetzungsverhältnis: Ein Rad mit 40 Zähnen, das mit einem Rad mit 20 Zähnen kämmt, erzeugt eine Untersetzung von 2:1.

Zahnräder gibt es in mehreren Ausführungen je nach ihrer Geometrie und Achsenanordnung. Stirnräder haben gerade Zähne, die parallel zur Achse geschnitten sind, und werden für parallele Wellen verwendet. Schrägzahnräder haben abgewinkelte Zähne, die zu einem sanfteren, leiseren Eingriff und höherer Tragfähigkeit führen. Kegelräder haben konische Zähne und übertragen Bewegungen zwischen Wellen in einem Winkel, häufig senkrecht zueinander. Schneckenräder arbeiten mit einer Gewindewelle zusammen und erzielen sehr hohe Untersetzungen.

Materialien und Verschleißmuster

Stahl ist der Standardwerkstoff für Zahnräder, die hohe Lasten tragen müssen; Gusseisen wird verwendet, wenn Gewicht und Kosten wichtiger sind als Präzision. Zahnverschleiß, Zahnbruch und Grübchenbildung auf der Zahnflanke sind die primären Ausfallarten. Mangelhafte Schmierung, Fehlausrichtung oder Überlastung beschleunigen alle drei. Das Zahnspiel, die kleine Lücke zwischen den kämmenden Zähnen, muss sorgfältig kontrolliert werden: Zu wenig verursacht Reibung und Wärme, zu viel verursacht Stoßbelastung und Lärm.

Bei der Montage werden Zahnräder auf Wellen über Naben, Federn oder Keilnuten montiert, und der Abstand zwischen den Rädern muss präzise genug sein, damit die Zähne glatt greifen, ohne sich festzubeißen. Moderne Zahnräder werden häufig durch Wälzfräsen oder Formfräsen hergestellt, was hohe Genauigkeit und Konsistenz ermöglicht. Der Begriff "Zahnrad" wird manchmal austauschbar mit "Rad" verwendet, wobei "Zahnrad" die Radform besonders im Gegensatz zu beispielsweise einer Zahnstange oder einer Schnecke hervorhebt.