Schneckengetriebe - mehr Kraft durch Untersetzung
Im Mittelalter erfunden um z.B. Modelle unseres Sonnensystems präzise und ohne größeren Kraftaufwand zu betreiben, ist das Schneckengetriebe heutzutage eine ideale Lösung, um schwere Mechanismen durch relativ geringen Kraftaufwand zu steuern. Je nach Untersetzung der einzelnen Bauteile ist es möglich, bei geringem Verlust durch Reibung und somit sehr effizient sogar Schotten von Dammanlage gegenüber hohem Wasserdruck zu öffnen und zu schließen. Auch wegen seiner hohen Belastbarkeit und dem leisen Betrieb entscheiden sich immer mehr Kunden für dieses System, weshalb sie aus der
Getriebe- und Motortechnik nicht wegzudenken sind.
Wie es das Getriebe aufgebaut?
Jedes Schneckengetriebe besteht in seiner Grundform aus einer
Welle, welche entweder aufgeschweißte oder eingefräste Schraubengänge besitzt. Entweder unter- oder oberhalb der Schnecke befindet sich ein schrägverzahntes Rad, das sogenannte
Schneckenrad. Die Bauteile sind in der Regel um 90° versetzt.
Wie funktioniert das Getriebe?
Der zu steuernde Mechanismus wie z.B. der Bolzen an einem massiven Verschlusssystem wird durch das Schneckenrad bewegt, doch da dieser Bewegung ein hoher Widerstand entgegenwirkt, wäre ein sehr leistungsstarker und somit auch sehr teurer Motor für die Bewegung notwendig. Die Lösung ist das Schneckengetriebe. Durch die Möglichkeit eine Untersetzung in den Antriebsprozess einzubinden, ist die benötigte Motorleistung nicht mehr zwangsläufig gleich dem Widerstand des Verschlusssystems.
Bei Vernachlässigung der Reibung ist sie kleiner – und zwar um das Verhältnis aus Anzahl der Zähne am Schneckenrad durch die Anzahl der Schraubengänge. Somit reduziert ein aus einem Schneckenrad mit 90 Zähnen und einer Schnecke mit 3 Schraubengängen bestehendes Schneckengetriebe die benötigte Motorleistung auf ein Dreißigstel.
Einher mit der Untersetzung geht nach dem Gesetz der Krafterhaltung auch eine Reduzierung der Drehzahl um den Faktor der Untersetzung. So würde sich im obigen Beispiel die am Schneckenrad befestigte Achse mit einem Dreißigstel der Drehzahl des an der Schnecke angebrachten Motors bewegen.
Schneckengetriebe - Alleskönner vom Schrottplatz bis zum Labor
Die unterschiedlichen Arten von Schneckengetrieben finden sich sowohl als Leistungsgetriebe in Schrott-Pressen, in denen sie den benötigten Druck aufbauen, um sogar ganze Kraftfahrzeuge kalt zu verformen oder in Walzwerken, in denen sie dafür sorgen, dass sich die Walzen millimetergenau aufeinander zu bewegen, um zentimeterdicke Stahlblöcke in hauchdünne Bleche zu verwandeln, als auch in Präzisionsgetrieben z.B. in den Fräsköpfen von CNC-Fräsen wieder.
Ein weiteres Beispiel für die Ausnutzung der hohen Präzision dieser Systeme findet sich in der Musik, da die Saiten von Gitarren am Kopfstück über Schneckengetriebe gespannt werden. Dank ihrer Eigenschaft der Selbsthemmung kommen Schneckengetriebe auch in Liften zum Einsatz wobei sie dazu beitragen, ein unkontrolliertes Absteigen des Aufzugs zu verhindern. Auch die Umkehrung der Untersetzung in speziellen, nicht selbsthemmenden Schneckengetrieben hat Anwendungsmöglichkeiten. So werden mechanische Zentrifugen mit hohen Drehzahlen angetrieben, indem man das anliegende Schneckengetriebe über das Zahnrad antreibt und somit die Drehzahl des anliegenden Motors um den Faktor der Untersetzung erhöht.
Schneckengetriebe können in:
- Zylinder-Schneckengetriebe (zylinderförmig Schnecke für globoidisch gewölbte Schneckenräder)
- Globoid-Schneckengetriebe (globoidisch geformte Schnecke)
- Duplex-Schneckengetriebe (Schnecke mit unterschiedlichen Vorder- und Rückseiten für besonders präzise Anwendungsbereiche)
eingeteilt werden.
Übersetzungsarten
Von einer Übersetzung wird nur dann gesprochen, wenn der Antriebsmotor am Schneckenrad angeschlossen ist. Ist er an der Schnecke angebracht, spricht man von einer Untersetzung. Da aufgrund der Berechnungsformel für die Übersetzung eines Schneckengetriebes eine nahezu unbegrenzte Möglichkeit an Varianten besteht, sollte man bei der Anschaffung folgende Faktoren abwägen:
- Widerstand des Systems
- Leistung des angelegten Motors
- Drehzahl des angelegten Motors
- Platzbedarf des Getriebes
So sollte bei einem System mit eher niedrigen Widerständen auch eine dementsprechend niedrige Untersetzung von z.B. 4:1 - 10:1 gewählt werden. Die Vorteile einer möglichst guten Anpassung dieser Faktoren aufeinander, sind ein bei niedrigen Untersetzungen höherer Wirkungsgrad und der damit verbundene niedrigere Bedarf an Schmiermitteln. Der Platzbedarf des Getriebes ist zwar nur in seltenen Fällen entscheidend, jedoch kommt z.B. beim Mechanismus zum Spannen von Gitarrensaiten nur ein Schneckengetriebe mit niedriger Untersetzung in Frage, da in höheren Bereichen größere Schneckenräder benötigt werden für welche einfach kein Platz vorhanden wäre.
Achsabstand
Die Achsabstände richten sich zum einen nach der gewählten Untersetzung und zum anderen nach der Größe der Zähne des Schneckenrads und seinem damit verbundenen Durchmesser. Es gilt, je kleiner die Anzahl der Schraubengänge an der Schnecke und je größer die Anzahl der Zähne am Schneckenrad und je größer die Abstände zwischen den Zähnen und deren Dicke, umso größer der Achsabstand. Im Umkehrschluss haben Schneckengetriebe mit möglichst vielen Schraubengängen, einer möglichst geringen Anzahl an Zähnen am Schneckenrad und möglichst geringen Abständen und Dicken der einzelnen Zähne einen eher kleinen Achsabstand. Hierbei sind der entscheidende Faktor die Zähne, deren Ausmaße so gewählt werden sollten, dass diese nicht herausbrechen.
Was ist die Selbsthemmung ?
Über diesen Mechanismus verfügen nahezu alle Schneckengetriebe. Er verhindert bei hoher Untersetzung und einer niedrigen Anzahl von Schneckengängen die Umkehr der Unter- zur Übersetzung. So hemmt sich das System selbst dagegen, dass der Widerstand das Schneckenrad zurückdrückt und sich der Mechanismus umkehrt. Diese Eigenart von Schneckengetrieben wird in Aufzügen und Treppenliften genutzt, um unkontrollierte Bewegungen der Anlagen bei Störfällen zu verhindern.
Die richtige Schmierung ist wichtig
Bei Wirkungsgraden zwischen 0,50 und 0,96 sind Schneckengetriebe unterschiedlich starken Reibungen ausgesetzt. Um Reibungsverluste und eine zu starke Abnutzung der einzelnen Bauteile zu verhindern, ist eine ständige Schmierung des Systems nahezu unerlässlich. Die Hauptaufgabe eines Schmiermittels ist allerdings die Ableitung der entstehenden Wärme an die Umgebungsluft. Auch die Auswahl des passenden Schmierstoffs ist wichtig. Hierbei wird zwischen freiliegenden und innenliegenden Schneckengetrieben unterschieden. Während freiliegende Systeme immer mit Fett geschmiert werden sollten, stellt sich bei innenliegenden Systemen die Frage nach den Materialien. So können Konstruktionen bei denen die Schnecke aus gehärtetem Stahl und das Schneckenrad aus Messing oder Bronze besteht mit Polyglycol-Ölen geschmiert werden. Sollte allerdings Sondermessing oder Aluminiumbronze verwendet worden sein, kommt nur Mineralöl in Frage. Die Menge des Schmiermittels richtet sich sowohl nach der Temperatur der Umgebung, der Untersetzung und dem damit verbundenen Wirkungsgrad des Systems, als auch nach der Drehzahl des anliegenden Motors.
DIN-Normen für Berechnung von Schneckengetrieben
DIN 3964 Achsabstandsabmaße und Achslagetoleranzen von Gehäusen
DIN 3967 Getriebe-Paßsystem; Flankenspiel, Zahndickenabmaße, Zahndickentoleranzen, Grundlagen
DIN 3975 Bestimmungsgrößen für Zylinderschneckengetriebe mit Achswinkel 90°
DIN 3996 Tragfähigkeitsberechnung von Zylinderschneckengetrieben mit sich rechtwinklig kreuzenden Achsen
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