Bei Kegelradgetrieben stehen die Achsen der Kegelräder meist rechtwinklig zueinander! Kegelräder dienen somit der Änderung der räumlichen Drehrichtung.
Einleitung
Anders als bei Stirnräder (Stirnradgetriebe), bei denen die Drehachsen stets parallel zueinander angeordnet sind, können durch Verwendung von Kegelräder (Kegelradgetriebe) die Drehachsen der Zahnradwellen um einen beliebigen Winkel zueinander gedreht werden. Häufig wiederzufinden ist ein Achswinkel von 90°. Ein Getriebe, das ausschließlich Kegelräder zur Kraftübertragung nutzt wird Kegelradgetriebe oder auch Winkelgetriebe genannt.
Bei Kegelradgetrieben stehen die Achsen der kegelförmigen Zahnräder meist rechtwinklig zueinander!
Die untere Abbildung zeigt hierzu das Beispiel einer Handbohrmaschine. Während es sich bei der ersten Getriebestufe um ein Stirnradgetriebe handelt, dient als zweite Getriebestufe ein Kegelradgetriebe welches eben auch dazu dient die Drehachse um 90° zu drehen. Insgesamt liegt dabei eine Übersetzung ins Schnelle vor, da die Drehzahl für Bohrvorgänge stark erhöht werden muss.
Aufgrund des tellerförmigen Aussehens wird das größere der Kegelräder auch als Tellerrad bezeichnet. Das Tellerrad selbst wird von einem kleinere Kegelrad angetrieben, das dann auch Ritzel genannt wird.
Wälzkegel
Bei Kegelräder bildet die Form der Zahnräder einen Kegelstumpf (Wälzkegel genannt), wobei die Zähne auf der Mantelfläche angeordnet sind. Die gedachten Wälzkegel zweier gepaarter Kegelräder wälzen sich ohne Gleiten aufeinander ab. Die Umfangsgeschwindigkeiten an den jeweiligen Berührpunkten der Paarungsfläche der beiden Wälzkegel sind also jeweils identisch.
Die Achsen der Kegelräder schneiden sich in einem Punkt, wobei der Schnittwinkel häufig 90° beträgt. Dieser Schnittpunkt entspricht dem Punkt in dem sich die Spitzen der gedachten Wälzkegel schneiden, wenn diese nicht mehr als Kegelstümpfe sondern als spitze Kegel betrachtet werden.
Verzahnungsarten
Auch bei Kegelradgetrieben können die Kegelräder unterschiedliche Verzahnungsvarianten aufweisen. Auf die wichtigsten Verzahnungen wird in den nachfolgenden Abschnitten näher eingegangen.
Geradverzahnung
Kegelräder können – wie auch Stirnräder – je nach Verlauf der Zahnflankenlinie weiter unterteilt werden. Verlaufen die Zähne jeweils geradlinig, d.h. in radiale Richtung zur Drehachse des Zahnrades hin, so spricht man von einer Geradverzahnung.
Eine solche Geradverzahnung hat den bereits im Artikel Stirnräder erläuterten Nachteil, dass durch das plötzliche Einsetzen der vollen Eingriffsbreite die Geräuschentwicklung relativ hoch ist. Dem kann jedoch mit der nachfolgend näher erläuterten Bogenverzahnung entgegengewirkt werden.
Bogenverzahnung
Verläuft die Flankenlinie nicht mehr radial nach außen sondern mit einem bestimmten Drall (ähnlich zur Schrägverzahnung bei Stirnrädern), dann erhält man eine bogenförmige Verzahnung, die allgemein auch als Bogenverzahnung bezeichnet wird. Die Bogenform selbst kann dabei spiralförmig, evolventenförmig, zykloidenförmig oder kreisförmig sein.
Die Bogenverzahnung bietet im Vergleich zur Geradverzahnung günstigere Eingriffsverhältnisse, höhere übertragbare Drehmomente und geringere Geräuschentwicklungen sowie höhere Einbautoleranzen. Aus diesem Grund wird im Maschinenbau die Bogenverzahnung bei Kegelrädern bevorzugt verwendet.
Planrad
Ein Sonderfall des Kegelrades ergibt sich, wenn der Teilkegelwinkel des Tellerrades immer größer gewählt wird und im Extremfall 90° beträgt. Die „Höhe“ des Wälzkegels wird dabei immer geringer und ist im Extremfall zu einer „Wälzebene“ geworden. Man spricht vom sogenannten Planrad. Das Gegenrad zum Planrad bildet ein herkömmliches Kegelrad, ohne dies ein reiner Abwälzvorgang auf der Wälzebene des Planrades nicht möglich wäre, da die Umfangsgeschwindigkeit auf der Wälzebene nach innen hin abnimmt.
Somit ist ein Achswinkel von 90° mit einem Planrad nicht zu realisieren, da dann das Ritzel hierfür ein Stirnrad sein müsste. Der Wälzzylinder eines Stirnrades hat jedoch eine konstante Umfangsgeschwindigkeit und kann sich somit den unterschiedlichen Umfangsgeschwindikeiten der Wälzebene des Planrades nicht anpassen! Hierfür wäre eine Anpassung des Zahnprofils auf dem Planrad in radialer Richtung erforderlich – siehe hierzu den nächsten Abschnitt Kronenrad.
Das Planrad bei Kegelrädern kann in Analogie zur Zahnstange bei Stirnrädern betrachtet werden. In beiden Fällen ist der ursprünglich „gekrümmte“ Wälzkörper zu einer Ebene geworden. Auf die analoge Weise wie das Zahnstangenprofil als Bezug für die Konstruktion von Stirnrädern herangezogen wird (siehe Artikel Zahnradherstellung), wird bei Kegelrädern das Planrad als Bezugsrad verwendet.
Kronenrad
Ein Sonderfall des Winkelgetriebes ergibt sich, wenn als Ritzel ein herkömmliches Stirnrad genutzt wird, welches dem Prinzip nach auf einer Zahnstange abwälzt, die zu einem Ring gebogen wird. Die in der Ebene angeordneten Zähne gleichen in ihrem Aussehen der Zacken einer Krone. Man spricht deshalb vom sogenannten Kronenrad. Das entsprechende Getriebe wird Kronenradgetriebe genannt. Die Verzahnung eines Kronenrades kann sowohl geradverzahnt als auch bogenverzahnt sein.
Die obere Animation zeigt ein geradverzahntes Kronenrad, das von einem herkömmlichen geradverzahnten Stirnrad angetrieben wird. Im Gegensatz zum Kegelrad lässt das Kronenrad eine axiale Verschiebung seines Gegenrades zu! Zudem treten in der geradverzahnten Variante keine axialen Kräfte auf, wie dies beim Kegelrad der Fall ist.
Da die Umfangsgeschwindigkeit des Kronenrades nach außen hin zunimmt, das Stirnrad jedoch eine konstante Umfangsgeschwindigkeit besitzt, muss für einen gleitfreien Abwälzvorgang der Wälzkörper das Zahnprofil des Kronenrades in radialer entsprechend angepasst werden (großer Eingriffswinkel außen und geringer Eingriffswinkel innen).
Das Kronenrad ist im eigentlichen Sinne kein Kegelrad, da die Wälzkörper keine Kegel sind! Im Gegensatz zum Planrad lässt sich mit einem Kronenrad ein Achswinkel von 90° erzielen. Im Allgemeinen kann der Achswinkel zwischen 0° und 180° betragen.
