Zahnstange
Englisch: rack
Stab mit Zähnen auf der Fläche oder Kante, arbeitet mit einer Sperrklinke als Ratsche und ermöglicht Bewegung nur in eine Richtung, verwendet zum Beispiel bei Handbremsen oder Armbrüsten.
Zahnstange: gezahnte Leiste, die Drehbewegung in Linearbewegung umwandelt
Eine Zahnstange ist eine gerade Leiste oder Schiene mit gleichmäßig verteilten Zähnen an einer oder beiden Seiten. Sie greift in ein Ritzel (ein kleines Zahnrad) ein und wandelt damit Drehbewegung in Linearbewegung um oder umgekehrt. Das Zahnstangen-Ritzel-System ist einer der ältesten und zuverlässigsten Mechanismen zur Bewegungsumwandlung im Maschinenbau und findet sich überall: von Lenksystemen bis zu Linearaktuatoren.
Die Zähne einer Zahnstange werden nach einem bestimmten Profil gefertigt, meistens Evolventenverzahnung, abgestimmt auf die Zahnform des antreibenden Ritzels. Modul und Teilung bestimmen Zahnabstand und Zahnhöhe. Eine typische Lenk-Zahnstange im Auto arbeitet mit Modulen zwischen 1,5 und 2,5 mm. Die Stange selbst ist normalerweise aus gehärtetem Stahl gefertigt, manchmal mit einer Oberflächenhärte von 58 bis 62 HRC, um den Kontaktspannungen durch das Ritzel standzuhalten. Nach dem Härten wird die Leiste oft geschliffen, um die präzise Laufruhe zu erreichen, die anspruchsvolle Anwendungen verlangen.
Neben der ritzelgesteuerten Variante erscheinen Zahnstangen in Sperrmechanismen, wo ein Sperrklinke (ein beweglicher Hebel) einzelne Zähne erfasst und so nur eine Bewegungsrichtung erlaubt. Eine Handwinde oder die Ratsche einer Rohrzange arbeitet nach diesem Prinzip. In solchen Fällen muss die Zahnstange nicht gerade sein: kreisförmige Zahnstangen heißen Kettenräder oder Zahnkränze, doch das Grundprinzip bleibt gleich. Die Klinke überwindet den Widerstand der Zahnstange und verhindert ein Zurückrutschen unter Last.
Häufige Probleme und Varianten
Bei hoher Belastung nutzen sich die Zähne ab oder brechen aus, wenn das Ritzel falsch ausgerichtet ist oder das Schmiermittel versagt. Lenk-Zahnstangen, im Straßenverkehr weit verbreitet, können spielig werden, wenn die Flankenspiele durch Verschleiß größer werden. Innendämpfung oder Vorspannfedern werden manchmal eingebaut, um den dichten Eingriff zu halten. Zahnstangen mit Kunststoffzähnen finden sich in leicht belasteten Anwendungen wie Druckerköpfen und bieten leisere Funktion und Korrosionsbeständigkeit, haben aber geringere Tragfähigkeit als Stahl.
Der Begriff Zahnstange hat historische Wurzeln: Er leitet sich vom Mittelniederländischen rec ab, was so viel wie strecken oder ausdehnen bedeutet und das lineare Merkmal der Leiste widerspiegelt. In der Werkstattsprache bedeutet "verstellen" eine Last auf ein Lagergitter zu verteilen, ein anderer Sinn desselben Wortes, aber beide erfassen die Idee von regelmäßiger Anordnung und Struktur.