Zu den Kraftübertragungsarten von Maschinen und Anlagen zählen mechanische, hydraulische, elektrische und magnetische Systeme. Die mechanische Kraftübertragung gliedert sich weiter in Reibschlussübertragung (über Riemen, Ketten usw.), Kupplungs- und Gelenkübertragung (z. B. mit Kupplungen und Kardangelenken) sowie Zahnradgetriebe mit Zahneingriff.
Zahnradgetriebe sind sehr weit verbreitet. Um die nominelle Lebensdauer eines Lagers zu bestimmen und die passende Baugröße sowie Ausführung von Wälzlagern auszuwählen, ist es entscheidend, die Kräfte am Zahneingriffspunkt und die auf die Lager übertragene Last.
Zahnradarten
Stirnräder: Stirnräder sind die einfachste Ausführung; ihre Zähne verlaufen parallel zur Achse der Zahnradwelle.
Schrägverzahnungen: Die Zähne von Schrägrädern verlaufen nicht parallel zur Achse, wodurch Axialkräfte entstehen. Hierfür werden Lager benötigt, die diese Kräfte aufnehmen können.
Pfeilräder: Pfeilräder bestehen aus zwei gegensinnig angeordneten Schrägrädern, wodurch sich die Axialkräfte gegenseitig aufheben.
Kegelräder: Kegelräder übertragen die Leistung zwischen zwei sich schneidenden Achsen, häufig im rechten Winkel. Man unterscheidet zwischen geradverzahnten Kegelrädern und spiralverzahnten Kegelrädern.
Hypoidräder: Sie übertragen Bewegungen zwischen zwei nicht parallelen und nicht schneidenden Achsen.
Schneckengetriebe: Schneckengetriebe dienen zur Übertragung von Leistung und Bewegung zwischen zwei zueinander senkrechten Wellen.
Grundlegende Getriebeparameter
Eingriffswinkel (α): Der spitze Winkel zwischen der Richtung der vom Zahnprofil im Berührungspunkt ausgeübten Kraft und der dortigen Bewegungsrichtung.
Normal-Eingriffswinkel (an): Der Winkel zwischen der Normalen an der Zahnoberfläche und der Tangente an den Grundkreis des Zahnrads.
Teilkreisdurchmesser (d): Der Durchmesser des Teilkreises, also des gedachten Kreises, an dem zwei Zahnräder tatsächlich ineinandergreifen und kämmen.
Schrägungswinkel (β): Der Winkel zwischen der Zahnlinie und der Zahnräderachse, auch als Schrägungswinkel der Zahnlinie bezeichnet.
Lastberechnung an den Eingriffspunkten des Zahnradpaares
Berechnung von Stirnrädern
Der Eingriff von Stirnrädern erzeugt keine Axialkraft.
Kraftanalyse und Berechnung an den Eingriffspunkten von Stirnrädern:
Analyse der Radialkräfte auf die Lager beidseitig der Getriebewelle:
Hinweis:
Radialkraftkomponente von Lager A
Radiale Resultierende am Lager A
Radiale Komponenten kraft am Lager B
Radiale Resultierende am Lager B
Berechnung von Schrägverzahnungen: Der Zahneingriff bei Schrägverzahnungen erzeugt Axialkräfte.
Kräfteanalyse und Berechnung an den Eingriffspunkten von Schrägverzahnungen:
Analyse der Axialkräfte an den Lagern beiderseits der Zahnradwelle:
Analyse der Radialkräfte auf die Lager beidseitig der Getriebewelle:
Pfeilverzahnung: Die von den Zahnflanken erzeugten Axialkräfte heben sich gegenseitig auf
Kräfteanalyse und Berechnung an den Eingriffspunkten von Pfeilverzahnungen:
Analyse der Radialkräfte auf die Lager beidseitig der Getriebewelle:
Hinweis:
Die vorstehende Lagerkraftanalyse berücksichtigt ausschließlich die aus dem Zahneingriff resultierenden Kräfte. Auch in Systemen ohne Axialkraft ist eine Auslegung mit Fest- und Loslagerung erforderlich.
Zur besseren Veranschaulichung des theoretischen Fehlens einer Axialkraft in der Zahnradpaarung ist dargestellt, dass an beiden Enden der Zahnradwelle Zylinderrollenlager eingesetzt werden.
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