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    Ratgeber

    Zahnräder, Motorritzel und Kegelräder

    Zahnräder sind elementare Bausteine mechanischer Getriebe. Sie übertragen Drehmoment und Drehzahl von einer Welle auf die andere und sind somit maßgeblich an der Leistungsübersetzung beteiligt. Nicht nur in Industrie und Produktion, sondern auch im technischen Modellbau kommen Zahnräder zum Einsatz, um Prototypen und Miniaturen mit Antriebstechnik auszustatten. Was die Bauteile spezifiziert und worauf bei der Auswahl zu achten ist, erfahren Sie in unserem Ratgeber. 



    Zahnräder für den technischen Modellbau

    Im technischen Modellbau beschäftigt man sich mit der Anfertigung von Modellen und Prototypen von Fahrzeugen, Maschinen, Anlagen und vielem mehr. Im Regelfall handelt es sich dabei um Miniaturen, die nach technischen, architektonischen, konstruktionsbezogenen und funktionellen Vorgaben hergestellt werden. Ziel ist es, existierende Objekte oder Objekte auf Basis von Entwürfen in verkleinerter Form und realitätsgetreu abzubilden, um Ideen zu visualisieren, Aspekte besser zu verstehen, Funktionalitäten zu prüfen und Ansätze zu optimieren. Die Anfertigungen können zudem als Grundlage für die Einzel- oder Serienherstellung herangezogen werden. 

    Ein wesentlicher Bestandteil der Antriebstechnik in Fahrzeugen und Maschinen sind Getriebe. Bei Getrieben handelt es sich überwiegend um mechanische Vorrichtungen, die Bewegungsänderungen bewirken. Sie dienen dazu, Drehmomente, Drehrichtungen, Drehzahlen und Kräfte zu übertragen und zu wandeln. Getriebe machen es erst möglich, die Leistungsübertragung in verschiedenen Geschwindigkeits- und Drehmomentbereichen anzupassen. Ein Beispiel zur Veranschaulichung ist das Schaltgetriebe im Auto. Es besteht aus mehreren Gängen, die jeweils unterschiedliche Beschleunigungsgrade zulassen. Die Übertragung von Bewegung, Kraft und Drehmoment wird durch starre Bauteile im Getriebe realisiert, und zwar durch Zahnräder, Ketten oder Riemen. Zahnradgetriebe sind am gebräuchlichsten, weil sie deutlich höhere Kräfte übertragen und geringere Achsabstände ermöglichen als Ketten- und Riemengetriebe. Sie arbeiten formschlüssig, das bedeutet, dass Drehmoment und Drehzahl von einer Welle auf die andere übertragen werden, indem die Zähne der Zahnräder passgenau ineinandergreifen.

    Ein Zahnradgetriebe setzt sich aus mindestens zwei zu einem Zahnradpaar kombinierten Zahnrädern zusammen. Sind diese im Hinblick auf ihren Radius identisch, wirken sie mit gleich großer Kraft aufeinander. Anders verhält es sich, wenn verschieden große Zahnräder kombiniert werden, was im Regelfall so gehandhabt wird. Hier fallen die jeweils wirkenden Drehmomente aufgrund der variierenden Radien unterschiedlich aus (höher oder niedriger). Dadurch ist es möglich, das Übersetzungsverhältnis zu ändern. Bei Zahnradpaaren mit verschiedenen Radien wird das kleinere Zahnrad als Ritzel bezeichnet und das größere als Rad. Das Ritzel ist das antreibende Zahnrad und überträgt die Antriebskraft auf das größere. Neben Zahnrad-Kombinationen aus Ritzel und Rad gibt es die Möglichkeit, Zahnräder in Verbindung mit Zahnradstangen einzusetzen. Bei Zahnstangen handelt es sich um gerade konstruierte, gezahnte Maschinenelemente. Sie dienen dazu, die Drehbewegung des Zahnrads in eine geradlinige Bewegung umzusetzen. 

    Aufgrund ihrer vorteilhaften Eigenschaften sind Zahnradgetriebe weit verbreitet und finden beim Prototyping und in der Entwicklung im Fahrzeug-, Maschinen- und Anlagenbau vielfach Berücksichtigung. Für die Anfertigung von Miniaturmodellen benötigt man daher Zahnräder in allen existierenden Bauformen und in maßstabsgetreuen, kleineren Abmessungen. Zu diesem Zweck gibt es spezielle Modellbauzahnräder. Mit ihrer Hilfe können Fahrzeug- und Maschinenmodelle realitätsgetreu mit funktionsfähigen Motoren und Getrieben ausgestattet werden.



    Stirnräder, Kegelräder, Schneckenräder: Gebräuchliche Arten von Zahnrädern im Überblick

    Zu den gebräuchlichsten Bauformen von Zahnrädern gehören Stirnräder, Kegelräder und Schneckenräder. Stirnzahnräder sind zylindrisch geformt und an der Außenseite verzahnt. Die Verzahnung befindet sich an der Stirnseite des Rades, woraus sich der Name des Zahnradtyps ableitet. Werden zwei Stirnzahnräder betrieben, greifen deren Zähne direkt ineinander, so dass Drehmoment und Bewegung übertragen werden. Zu unterscheiden sind geradeverzahnte und schrägverzahnte Stirnzahnräder. Bei geradeverzahnten Ausführungen verlaufen die Zähne parallel zur Drehachse des Rads. Sie sind aufgrund ihrer einfachen Bauweise kostengünstig herzustellen und dementsprechend weit verbreitet, zumal sie sich gut für die Übertragung großer Umfangskräfte eignen, da während des Betriebs keine Axialkräfte erzeugt werden. Bei schrägverzahnten Stirnzahnrädern ist das anders. Hier sind die Zähne schräg zur Achse angeordnet, wodurch beim Drehen axiale Kräfte entstehen. Für hohe Lasten sind sie nicht unbedingt geeignet, dafür arbeiten sie ruhiger und erzielen eine schnellere und gleichmäßigere Kraftübertragung. Beim Einsatz von Stirnrädern sind Antriebs- und Abtriebswelle parallel und waagerecht zueinander angeordnet, quasi nebeneinander. In dieser Position bleiben die Stirnräder besser in der Wellenspur und nutzen sich nicht so schnell ab.

    Kegelräder sind Bestandteile von Kegelrad- oder Differentialgetrieben. Hier sind An- und Abtriebswelle nicht parallel, sondern in einem Winkel (meist 90°) zueinander angeordnet, in dem sie sich schneiden. Bei einem Kegelrad handelt es sich um einen Kegelstumpf mit verzahnter Mantelfläche. Die Zähne sind konisch geformt und so ausgelegt, dass sie sich beim Betrieb zweier Kegelräder an den Spitzen berühren. Das kleinere Kegelritzel übernimmt den Antrieb des größeren Rads, auch Tellerrad genannt, und kann in beide Drehrichtungen arbeiten. Unterschieden werden geradeverzahnte, schrägverzahnte und bogenverzahnte Ausführungen, wobei die beiden letzteren laufruhiger sind als geradeverzahnte Kegelräder. Bogenverzahnte Kegelräder lassen sich in Spiralkegelräder und Hypoidkegelräder unterscheiden. Spiralkegelräder punkten mit einem besseren Geräuschverhalten, erreichen höhere Geschwindigkeiten und können höhere Leistungen übertragen. Eine Variante hiervon stellen die Hypoidkegelräder dar. Bei Hypoidgetrieben sind die Achsen von Ritzel und Rad nicht winklig, sondern parallel zueinander angeordnet. Dadurch gibt es keinen Schnittpunkt. Vielmehr liegt ein Achsversatz vor, der positiv oder negativ sein kann. Im Fall einer positiven Achsversetzung ist das Ritzel in der Lage, größere Spiralwinkel auszuführen und folglich größere Drehmomente zu übertragen, was in einer höheren Belastbarkeit und besseren Übersetzung resultiert.

    Neben Kegelrad- und Stirnradgetrieben gibt es noch Schneckenradgetriebe. Hierbei handelt es sich ebenfalls um Winkelgetriebe, bei denen die Achsen im Winkel von 90° zueinander stehen. Sie bestehen aus einer Schneckenwelle (Schnecke) und einem Schneckenrad, die zusammen als Schneckenradsatz verwendet werden. Die Schnecke ist wie eine Spirale oder Schraube geformt und wird daher auch als Schraubenwelle bezeichnet. Das Schneckenrad als Gegenstück ist meist zylindrisch gebaut (wobei es auch kegelförmige und hohe Ausführungen gibt) und schrägverzahnt. Indem sich die Schneckenwelle dreht und in die Zähne des Schneckenrads eingreift, wird eine Drehbewegung erzeugt. Vorteilhaft an Schneckengetrieben ist, dass sie relativ leise arbeiten und eine hohe Übersetzung auf engem Raum erzielen. Darüber hinaus sind die Getriebe meist selbsthemmend ausgelegt, damit sie sich bei Nichtgebrauch nicht unkontrolliert drehen, sondern Lasten ohne zusätzlichen Bremsmechanismus halten können.



    Best Practice: Grundlegendes zur Montage von Motorritzeln

    Fast alle Arbeitsmaschinen und motorisierte Fahrzeuge, auch solche mit Elektromotor, werden über ein Zahnradgetriebe angetrieben, das aus einem Motorritzel und einem Hauptzahnrad besteht. Das Motorritzel ist am Ausgang des Motors bzw. der Motorwelle befestigt und greift in die Zähne des größeren Hauptzahnrades, um die Drehbewegung des Motors zu übertragen. Leistung, Drehmoment und Geschwindigkeit des Fahrzeugs oder der Maschine hängen von der Größe des Motorritzels und Hauptzahnrads ab. Soll die Übersetzung geändert oder die Leistung an spezifische Anforderungen angepasst werden, lässt sich das erreichen, indem Motorritzel und Hauptzahnrad gegen kleinere oder größere Äquivalente ausgetauscht werden.

    Die Montage eines Motorritzels erfordert viel Sorgfalt, da es direkten Einfluss auf die Performance und Sicherheit des Fahrzeugs oder der Maschine hat. Wichtig ist zunächst, dass das Ritzel auf die Spezifikationen des Motors abgestimmt ist. Das betrifft unter anderem die Verzahnung (Form, Lage und Anzahl der Zähne), den Durchmesser und die Befestigungsart. Bei der Montage ist darauf zu achten, dass alle Komponenten, einschließlich der Befestigungsschrauben und der Welle, an der das Ritzel angebracht wird, sauber und fettfrei sind. Sonst kann es passieren, dass das Ritzel nicht richtig auf der Welle läuft und keine gleichmäßige Kraftübertragung stattfindet. Die Schrauben müssen fest angezogen sein. Falls nötig, können sie um zusätzliche Sicherungen ergänzt oder mit Schraubensicherungslack behandelt werden, um zu verhindern, dass sie sich lösen. Wichtig ist, dass das Motorritzel richtig ausgerichtet ist und so wenig Spiel wie möglich hat. Anderenfalls kann es zu Vibrationen und ungenauen Bewegungen kommen, was das Risiko von Geräuschentwicklung, vorzeitigem Verschleiß und Ausfällen erhöht.



    Kaufkriterien für Zahnräder – worauf kommt es an?

    Bei der Auswahl von Zahnrädern sind mehrere Faktoren zu berücksichtigen. Zunächst einmal ist es entscheidend, die richtige Bauform zu wählen. Werden Modelle auf Grundlage von Entwürfen angefertigt, ist die Getriebeart meist vorgegeben. Das können klassische Stirnrad-, Kegelrad- oder Schneckenradgetriebe sein, aber auch Sonderformen wie Spiral- oder Hypoidgetriebe. Möglich ist auch, dass mit einer Kombination aus Zahnrad und Zahnstange gearbeitet werden muss. In dem Fall ist auf die Kompatibilität zu achten. 

    Des Weiteren ist das zugrundeliegende Material des Zahnrads in den Blick zu nehmen. Zahnräder können aus Stahl und gehärtetem Metall, aber auch aus unbehandeltem Aluminium, Messing oder Kunststoff bestehen. Am unempfindlichsten gegenüber Verschleiß sind Stahlzahnräder. Sie ermöglichen lange Laufzeiten und haben bei sachgerechtem Gebrauch eine lange Lebensdauer. Anders verhält es sich mit Zahnrädern aus einfachem Aluminium, Messing und Kunststoff, vor allem wenn sie stark beansprucht werden, wie es bei Motorritzeln der Fall ist. Sie nutzen sich schnell ab und müssen häufig gewechselt werden. Welches Material das richtige ist, hängt letztlich davon ab, wie intensiv das Getriebe arbeiten muss und demzufolge davon, welchen Zweck das Fahrzeug- oder Maschinenmodell erfüllen soll.

    Eine wesentliche Rolle bei der Auswahl von Zahnrädern und Zahnstangen spielt die Verzahnung. Sie muss auf die Anforderungen der Anwendung abgestimmt sein. Die Verzahnungsgröße wird in der Maßeinheit Modul in Millimetern angegeben und errechnet, indem man den Teilkreisdurchmesser durch die Anzahl der Zähne teilt. Je größer die Zähne sind, desto größere Kräfte lassen sich übertragen. Die Zahnteilung, also der Abstand zwischen den einzelnen Zähnen (von Zahnmitte zu Zahnmitte), ist ebenfalls relevant. Sie wird berechnet, in dem man den Modulwert mit der Kreiszahl Pi multipliziert. Generell hängen die erforderlichen Spezifikationen eines Zahnrads immer von der benötigten Leistung, der Drehzahl, dem Übersetzungsverhältnis und den zulässigen Belastungsgrenzen ab. Auch der zur Verfügung stehende Einbauraum ist zu berücksichtigen, gerade im Bereich des Modellbaus. Deswegen muss meist ein Kompromiss zwischen allen Faktoren gefunden werden. Ein Zahnrad-Sortiment, das Zahnräder in mehreren Größen und mit unterschiedlichen Verzahnungen enthält, kann in solchen Situationen gute Dienste leisten, weil es die Möglichkeit bietet, verschiedene Szenarien auszuprobieren. 




    Unser Praxistipp: Immer Zahnradpaare mit gleichem Modul verwenden

    Nur Zahnräder mit dem gleichen Modul können zu einem Zahnradpaar kombiniert werden. Ist eines der Räder falsch dimensioniert, besteht das Risiko, dass die Zähne nicht richtig ineinandergreifen oder sich verhaken. Mögliche Folgen: Geräuschentwicklung, Beschädigungen und vorzeitiger Verschleiß. Da schon kleine Unregelmäßigkeiten zu Fehlfunktionen führen können, sind die Modulgrößen genormt. So kann man sicher sein, dass zwei Zahnräder mit dem gleichen Modulwert die identische Größe haben.



    FAQ – häufig gestellte Fragen zu Zahnrädern

    Wie werden Zahnräder gewartet?

    Zahnräder müssen regelmäßig gewartet werden, um ihre Funktionalität sicherzustellen. Im ersten Schritt erfolgt eine Sichtprüfung, bei der die Bauteile auf Abnutzungserscheinungen, Beschädigungen oder Unregelmäßigkeiten untersucht werden. Defekte oder verschlissene Zahnräder müssen ausgetauscht werden, um einen reibungslosen Lauf sicherzustellen. Eine regelmäßige Schmierung mit Spezialmitteln wie Getriebeöl ist ebenfalls wichtig, denn dadurch können auftretende Geräusche minimiert, Vibrationen gedämpft und Hitzeentwicklung vorgebeugt werden. Wie oft eine Schmierung erfolgen muss, hängt von der Gebrauchsfrequenz des Getriebes ab, was bei Modellbauprodukten stark variieren kann.
     

    Was ist der Unterschied zwischen einem Zahnrad und einer Zahnkupplung?

    Zahnkupplungen und Zahnräder sind mechanische Bauteile, die beide in der Antriebstechnik verwendet werden, aber unterschiedliche Funktionen erfüllen. Zahnräder übertragen Drehmomente, indem sie die Drehbewegung der Antriebswelle in eine Drehbewegung der Abtriebswelle umwandeln und umgekehrt. Kupplungen ermöglichen zwar auch eine Kraftübertragung über Zahnprofile, werden aber vor allem eingesetzt, um Wellen zu verbinden und Verschiebungen, Winkelversätze oder andere kleine Unregelmäßigkeiten dazwischen auszugleichen. Das kann nötig sein, wenn die Wellenverbindung aus Konstruktionsgründen eine gewisse Flexibilität zulassen muss. 
     

    Für welche Anwendungen eignen sich schräg- und bogenverzahnte Kegelräder besser als geradverzahnte?

    Geradverzahnte Kegelräder leisten gute Dienste, wenn es um einfache Anwendungen geht. Allerdings können sie in Sachen Kraftübertragung nicht mit schräg- und bogenverzahnten Kegelrädern mithalten, denn diese bieten aufgrund der Verzahnungsform eine größere Kontaktfläche. Dadurch ist eine höhere Tragfähigkeit gegeben. Aus diesem Grund sind schräg- und bogenverzahnte Kegelräder eine gute Wahl, wenn es um den Antrieb schwerer Maschinen und komplexerer Technik geht.