Evolventenverzahnung

Im Fahrzeug- und Maschinenbau ist die Evolventenverzahnung die wichtigste Verzahnungsart. Sie gehört zu den formschlüssigen Verbindungen mit Profilwellen, die eine präzise und effiziente Übertragung von Drehmoment ermöglichen. Durch die einzigartige Gestaltung der Zahnflanken nach der Evolventenkurve gewährleistet sie eine gleichmäßige Kraftübertragung und minimiert das Risiko von Fehlausrichtungen.

Nicolas Heck

Veröffentlicht

21. März 2024

Evolventenverzahnung: Kurz erklärt

Bei der Evolventenverzahnung handelt es sich um eine spezifische Verzahnungsart, die sich über die Gestalt der Zahnflanken definiert. Sie bezieht sich also auf die geometrische Form der Zähne eines Zahnrades. Statt einer geraden Zahnform, wie man sie vielleicht von einer Säge kennt, haben die Zähne bei einer Evolventenverzahnung eine gekrümmte Form, die bewirkt, dass, wenn Zahnräder mit Evolventenverzahnung im Einsatz sind, diese gut ineinandergreifen und sich gleichmäßig drehen, ohne zu rattern oder zu klemmen.

Warum eignen sich Evolventen so gut für Verzahnungen?

Eine Evolvente ist eine geometrische Kurve. Sie entsteht, wenn eine sogenannte Rollgerade auf einem Grundkreis abgerollt wird. Die dabei entstehende Kurve gibt die Form der Evolvente vor, die, je länger sie wird, immer weniger gekrümmt ist. Das heißt, sie wird immer flacher, je weiter sie sich vom Grundkreis entfernt.

Das kann man sich veranschaulichen, indem man einen straff gehaltenen Faden von einem runden Gegenstand abwickelt. Wichtig ist, dass das Seil beim Abwickeln ganz straff gehalten wird. Der Durchmesser des Gegenstands ist dabei der Grundkreis der Evolvente und das Ende des Fadens beschreibt die Form der Kreisevolvente. Die Krümmung der Evolvente entspricht dabei der Bogenlänge auf dem Grundkreis.

Die geometrischen Eigenschaften und ihre Vorteile für Zahnräder

Aufgrund dieser Eigenschaften ist die Evolvente ideal für die Gestaltung von Zähnen in Zahnradverzahnungen, denn diese Form gewährleistet einen sanften Übergang zwischen den Zähnen und führt dazu, dass die Kraft gleichmäßig übertragen wird. Durch diese geometrischen Eigenschaften der Evolvente entsteht eine orthogonale Kurve, wenn sich zwei Evolventen schneiden. Das hat zur Folge, dass die Kräfte entlang der Kontaktlinie der Zahnflanken gleichmäßig verteilt werden, was wiederum zu einer optimalen Kraftübertragung und nur minimaler Reibung führt. Dadurch trägt die Evolventenverzahnung dazu bei, dass die Zähne eines Zahnrades gleichmäßig und effizient in den Eingriff gelangen und das Drehmoment gleichmäßig übertragen wird.

Evolventenverzahnungen: Komponentenfertigung bei Felss

Für die Herstellung der verzahnten Wellen und Verzahnungen mit Evolventenprofil setzen wir auf das Axialformen. Diese Technik ermöglicht es, hochpräzise Verzahnungskomponenten wirtschaftlich zu produzieren, indem Verzahnungsmaße exakt umgesetzt werden – ganz ohne Teilungsfehler, da die Zähne eine genaue Kopie des Werkzeugs sind. Dieses Verfahren erhöht die Qualität und die Materialfestigkeit und somit die Dauerfestigkeit der Bauteile, während es gleichzeitig für eine schnelle Produktion sorgt und Ressourcen effizient nutzt.

Von der Zeichnung bis zum fertigen Bauteil stehen wir bei Felss für unsere Expertise in der Kaltumformung. Unsere spezialisierten Verfahren ermöglichen es uns, eine Vielzahl von Komponenten effizient und mit höchster Genauigkeit zu produzieren, wodurch wir den spezifischen Anforderungen unserer Kunden gerecht werden. Unser Fokus liegt auf der Optimierung der Bauteileigenschaften, des Materialeinsatzes und der Verbesserung der Materialfestigkeit, was nicht nur die Qualität und Langlebigkeit der Produkte steigert, sondern auch zu einer signifikanten Reduktion der Produktionskosten führt

Steckverzahnungen mit Evolventenflanken

Steckverzahnungen sind eine spezielle Form der Verzahnung, die in einer Vielzahl von mechanischen Anwendungen eingesetzt wird, um modulare, flexible und platzsparende Verbindungen zwischen verschiedenen Komponenten eines Systems zu ermöglichen. Im Gegensatz zu Laufverzahnungen, die für eine permanente, kontinuierliche Kraftübertragung in ständig eingreifenden Systemen konzipiert sind, bieten Steckverzahnungen die Möglichkeit zur schnellen Montage und Demontage, was sie besonders wertvoll für Anwendungen macht, die regelmäßige Wartung, Anpassung oder den Austausch von Teilen erfordern. Des Weiteren bieten sie die Möglichkeit zu einer besonders kompakten Bauweise.

Steckverzahnungen mit Evolventenprofil: Modularität und Flexibilität

Steckverzahnungen mit Evolventenflanken repräsentieren eine spezialisierte Kategorie von Verzahnungen, die die Präzision und Effizienz der Evolventengeometrie mit der Flexibilität von trennbaren Verbindungen kombinieren. Diese Art von Verzahnung ist besonders wertvoll in Anwendungen, die sowohl eine genaue Kraftübertragung als auch die Möglichkeit zur schnellen Demontage und Montage erfordern.

Wo werden Steckverzahnungen mit Evolventenprofil eingesetzt?

Die Evolventenform sorgt für eine optimale Kraftübertragung durch eine gleichmäßige Berührung entlang der gesamten Kontaktlinie, was zu einer effizienten und geräuschärmeren Leistung führt. Ihre Anwendungen reichen von hochpräzisen medizinischen Geräten, über modulare Robotiksysteme, bis hin zu Fahrzeugkomponenten, wo Flexibilität ohne Einbußen bei der Übertragungsgenauigkeit gefragt ist. Durch diese Kombination aus Präzision und Modularität bieten Steckverzahnungen mit Evolventenflanken innovative Lösungen für eine Vielzahl von technischen Herausforderungen. In der Automobilindustrie kommen evolventenverzahnte Steckverzahnungen als verzahnte Wellen in Lenksystem und Getrieben zum Einsatz und garantieren so eine effiziente Drehmomentübertragung

Was macht Zahnräder mit Evolventenverzahnung besonders?

Ein entscheidendes Merkmal der Evolventenprofile an Laufverzahnungen ist ihr reibungsloser Eingriff, der durch die spezifische Geometrie der Zahnflanken ermöglicht wird. Die gemeinsame Normale der beiden Zahnprofile, die die Richtung der Kontaktkraft zwischen den Zahnrädern angibt, geht in jedem möglichen Berührungspunkt immer durch den sogenannten Wälzpunkt. Der Wälzpunkt ist der Schnittpunkt der Verlängerungen der Achsen der beiden Zahnräder. Dadurch wird eine gleichmäßige Kraftübertragung entlang der Kontaktlinie der Zahnflanken erzielt.

Gleichmäßige Kraftverteilung und konstante Drehwinkelübertragung

Diese gleichmäßige Kraftverteilung trägt zur Stabilität und Langlebigkeit der Systeme bei, indem sie eine übermäßige Belastung einzelner Zähne vermeidet. Zusätzlich teilt der Wälzpunkt die Verbindungslinie zwischen den Drehpunkten der beiden Zahnräder im umgekehrten Verhältnis der Winkelgeschwindigkeiten. Das ist von entscheidender Bedeutung für die Übertragung des Drehmoments zwischen den Zahnrädern und gewährleistet einen gleichmäßigen, geräuscharmen Lauf während des Betriebs. Durch die präzise Bewegungsübertragung können Bewegungen exakt und wiederholbar ausgeführt werden, was zu einer effizienten und zuverlässigen Funktionsweise führt und gleichzeitig den Verschleiß und die Geräuschentwicklung minimiert.

Evolventenverzahnungen: Funktional bei Achsabstandsänderungen

Zudem zeichnen sich Evolventenverzahnung durch ihre hohe Toleranz gegenüber Änderungen des Achsabstands der Zahnräder. Dadurch kann sie flexibel angepasst werden, ohne dass dies signifikante Auswirkungen auf die Überdeckung und die Laufruhe hat. Der reibungslose Eingriff und die präzise Kraftübertragung sind charakteristische Merkmale der Evolventenverzahnung, die zu ihrer weitverbreiteten Anwendung in verschiedenen industriellen Anwendungen beitragen.

Grundlagen der Evolventenverzahnung

Die Konstruktion von Evolventenverzahnungen beruht auf präzisen geometrischen und physikalischen Prinzipien, die für ihre Funktionalität entscheidend sind. Ein zentrales Element dabei ist das Verzahnungsgesetz, das eine gleichmäßige Drehmomentübertragung durch die spezifische Gestaltung der Zahnflanken vorsieht. Es sorgt dafür, dass die Zahnflanken nach der Form einer Evolvente, die von einem Kreis abgeleitet ist, geformt werden. Dies ermöglicht eine effiziente Bewegungsübertragung zwischen den Komponenten, indem es eine kontinuierliche Rollbewegung ohne Gleiten fördert, was für eine konsistente Übersetzung der Winkelgeschwindigkeit sorgt.

Einfluss des Grundkreises

Der Grundkreisdurchmesser spielt eine wesentliche Rolle in der Gestaltung von Evolventenverzahnungen und wirkt sich direkt auf die Form der Zahnflanken aus, wenn das Modul konstant gehalten wird. Bei einem konstanten Modul – einer Maßangabe, die die Zahngröße in Relation zum Teilkreisdurchmesser bestimmt – führt ein größerer Grundkreisdurchmesser zu flacheren Zahnflanken, während ein kleinerer Grundkreisdurchmesser zu steileren Zahnflanken führt

Bestimmung des Teilkreisdurchmessers

Ein entscheidender Schritt in der Konstruktion ist die Bestimmung des Teilkreisdurchmessers. Dieser wird als Produkt aus dem Modul und der Zahnzahl berechnet. Der Modul legt dabei die Größe und den Abstand der Zähne zueinander fest. Der Teilkreis dient dabei als Referenz für die weiteren Berechnungen und Konstruktionsprozesse.

Festlegung des Eingriffswinkels

Der Eingriffswinkel, meist standardmäßig auf 20° festgelegt, ist ein weiterer wichtiger Faktor. Er definiert den Winkel zwischen der Eingriffslinie zweier Zähne und der Normalen der Mittellinie. Die Wahl des Eingriffswinkels ist entscheidend, denn sie legt nicht nur die geometrische Interaktion zwischen den Zahnflanken fest, sondern auch die Betriebseigenschaften der Verzahnung wie Tragfähigkeit, Verschleißverhalten und Geräuschentwicklung beeinflusst. Ein größerer Eingriffswinkel kann die Robustheit der Zahnflanken erhöhen und ermöglicht eine verbesserte Lastverteilung, was besonders bei Anwendungen mit hohen Belastungen vorteilhaft ist. Allerdings kann dies auch zu einer Erhöhung der Axialkräfte führen, was zusätzliche Anforderungen an die Lagerung und die Konstruktion des gesamten Systems stellt.

Profilverschiebung zur Optimierung

Ein weiterer Aspekt der Konstruktion von Evolventenverzahnungen ist die Profilverschiebung. Hierbei werden die Zahnprofile entlang der Evolvente verschoben, ohne den Grundkreisdurchmesser zu verändern. Diese Verschiebung führt zu einer flacheren Krümmung der Zahnflanke, verbessert die Verteilung der Kontaktkräfte und erhöht so die Lebensdauer und Leistungsfähigkeit der Verzahnung.

Berechnung der Eingriffsteilung

Die Eingriffsteilung bezeichnet den Abstand zwischen zwei in Kontakt stehenden Zahnflanken und ist entscheidend für einen gleichmäßigen Flankenkontakt. Die korrekte Berechnung der Eingriffsteilung gewährleistet eine effiziente Kraftübertragung und minimiert den Verschleiß der Zahnräder. Durch die Sicherstellung eines konstanten und gleichmäßigen Kontakts zwischen den Zahnflanken wird verhindert, dass punktuelle Belastungen und damit verbundener Verschleiß auftreten.

Fazit

Evolventen-Steckverzahnungen stellen aufgrund ihrer hohen Qualität, Präzision und sicheren Übertragungsfähigkeit eine herausragende Wahl für anspruchsvolle mechanische Anwendungen dar. Sie zeichnen sich zudem durch eine bemerkenswerte Laufruhe und Verschleißfestigkeit aus, was ihre Langlebigkeit und Zuverlässigkeit unterstreicht. Das Verfahren des Axialformens spielt dabei eine entscheidende Rolle, indem es nicht nur die hohe und konsistente Qualität dieser Verzahnungen sicherstellt, sondern auch ihre Material- und Dauerbelastungsfestigkeit. Zugleich ermöglicht es eine wirtschaftliche und ressourceneffiziente Produktion, wodurch die Evolventen-Steckverzahnung zu einer optimalen Lösung für effiziente und nachhaltige Herstellungsprozesse avanciert.

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