Beim Stirnradgetriebe laufen Stirnräder auf zueinander parallelen Achsen. Es gibt mehrere Bauformen. Die einfachste Variante ist einstufig, auf zwei Wellen sitzt jeweils ein Zahnrad. In der Praxis ist diese Getriebeform, die unter anderem für Autos unverzichtbar ist, meistens mehrstufig. Dabei sitzen auf den Wellen mehrere Zahnräder, zudem gibt es Zwischenwellen.
Einsatzgebiete der Stirnradgetriebe
Da diese Getriebe relativ wenig Platz benötigen, einfach herzustellen sind und die Kraft sehr direkt übertragen, sind sie weit verbreitet. Einsatzgebiete sind unter anderem:
- Kfz-Schaltgetriebe
- Uhrwerke
- diverse Industriemaschinen
Welche Vor- und Nachteile haben Stirnradgetriebe?
Der wichtigste Vorteil ist die relativ einfache Bauweise. Es kommen nur wenige bewegte Bauteile zum Einsatz. Die außenverzahnten Stirnräder sind einfacher herzustellen als zum Beispiel Schnecken- und Kegelräder oder Hohlräder in Planetengetrieben. Weitere Vorteile sind die kostengünstige Fertigung, die hohe Robustheit und der hohe Wirkungsgrad durch die rein mechanische und direkte Übertragung. Ein Nachteil besteht in der kleinen Übersetzung beim einstufigen Getriebe. Sie kann in der Praxis maximal 1:6 betragen. Dieser Nachteil lässt sich durch mehrere Stufen ausgleichen. Gegenüber Schneckengetrieben können Getriebe mit einem Stirnrad lauter sein.
Verzahnungsvarianten in Stirnradgetrieben
In Stirnradgetrieben kann es eine Schräg-, Gerad- und Pfeilverzahnung geben. Die Schrägverzahnung ist die häufigste Form. Dabei verlaufen die Zähne nicht parallel, sondern schräg zur Getriebeachse. Wenn ein Zahnpaar in Berührung kommt, überträgt es die Kraft zunächst nicht auf der ganzen Breite. Das wäre bei geradverzahnten Stirnrädern der Fall. Bei der Schrägverzahnung mit Profilkorrektur steigt hingegen die belastete Zahnbreite durch die Drehbewegung allmählich an. Ab einem bestimmten Punkt trägt dann das Zahnpaar auf der ganzen Breite. Wenn es sich aus der Kontaktzone wieder herausdreht, fällt die Kraftübertragung langsam wieder ab. Beim schrägverzahnten Zahnradpaar kontaktieren sich meistens zwei oder noch mehr Zähne gleichzeitig, bei der Geradverzahnung sind es normalerweise höchstens einer bis drei Zähne. Das bewirkt bei der Schrägverzahnung den Vorteil, dass die Zähne durch den Kontakt weniger hart gegeneinanderschlagen. Es gibt damit weniger Schwingungsanregungen, das Getriebe läuft leiser. Auch erhöht sich bei der Schrägverzahnung die sogenannte Grübchentragfähigkeit. Den Unterschied zwischen einer Schräg- und einer Geradverzahnung hören die Besitzer etwas älterer Autos. Bei diesen ist der Rückwärtsgang gerade verzahnt, in diesem ist das Getriebe deutlich lauter als in den schräg verzahnten Vorwärtsgängen. Natürlich spielt dabei auch die Verzahnungsqualität eine Rolle, im Rückwärtsgang ist diese bei preisgünstigen, älteren Autos oft erheblich schlechter. Unter anderem werden die Zahnräder nach dem Härten nicht mehr geglättet. Die Schrägverzahnung verursacht allerdings eine höhere Reibung, die Kraftübertragung ist daher etwas weniger effizient. Die entstehenden Axialkräfte wirken zudem so stark auf die Zahnräder, dass gegen das seitliche Auseinanderschieben eine aufwendigere Lagerung nötig wird.
Tragfähigkeitsberechnung beim Stirnradgetriebe
Die Tragfähigkeit der Zahnräder muss berechnet werden. Hierfür gilt die DIN 3990, die eine für die Praxis gut abgesicherte Berechnungsvorschrift darstellt. Allerdings gibt es auch andere und zum Teil wesentlich komplexere Berechnungsverfahren für die Belastbarkeit und Tragfähigkeit der Stirnradgetriebe. Diese beziehen unter anderem die Verformungen der Wellen, der Zähne und des Gehäuses mit ein. Durch die moderneren Berechnungsformen kann diese Getriebeart heute sehr klein und dabei doch höchst leistungsfähig gebaut werden.