Winkelgetriebe: Die Qual der Wahl – Kegelrad oder Schnecke

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Bargteheide 05.11.2024 10 Min.

Winkelgetriebe sind die Lösung für Anwendungen, bei denen Antriebswelle und Abtriebswelle in einem Winkel – meistens in einem rechten Winkel – angeordnet sein müssen, beispielsweise bei beengten Bauräumen. Dabei können sich die Achsen schneiden oder mit Achsversatz kreuzen. Winkelgetriebe sind im industriellen Bereich hauptsächlich als Kegelrad- oder Schneckengetriebe aufgebaut. Welche dieser beiden Getriebearten wann eingesetzt wird, erläutern wir im Folgenden.

Winkelgetriebe werden oft verwendet, um einen Getriebemotor in den zur Verfügung stehenden Bauraum platzsparend einzufügen. Dies ist beispielsweise oft bei Förderbändern und Fahrantrieben (Gassenmaß) der Fall. Mögliche Zahnradgetriebe-Bauarten für Winkelgetriebe sind:

Kegelradgetriebe
Schneckengetriebe
Hypoidgetriebe
Spiroplangetriebe (Spiroidverzahnung)
Schraubradgetriebe
Kronenradgetriebe

Dabei können Hypoidgetriebe, Spiroplangetriebe und Kronenradgetriebe als Abwandlung eines Kegelradgetriebes und Schraubradgetriebe als Abwandlung eines Schneckengetriebes angesehen werden. Hypoidgetriebe, Spiroplangetriebe und Schraubradgetriebe haben wie Schneckengetriebe keine sich schneidenden, sondern versetzte Achsen. Bei zunehmenden Achsversatz wächst der Gleitanteil in der Verzahnung und der Anspruch an die Schmierstoffe, Fressen zu vermeiden.

Die am häufigsten eingesetzten Winkelgetriebe im industriellen Bereich sind Kegelrad- und Schneckengetriebe. Daher werden wir uns im Folgenden auf diese zwei Getriebearten konzentrieren. Bei Winkelgetrieben muss mindestens eine Getriebestufe die winklige Lage der Achsen realisieren. Diese Getriebestufe ist dann als Kegelrad- oder Schneckenstufe ausgeführt.

Aufwändige Konstruktion

Winkelgetriebe haben aufgrund der sich schneidenden oder gekreuzten Achsen, die oft auch in einer genauen axialen Position eingestellt und gehalten werden müssen, einen aufwändigen konstruktiven Aufbau. Dies ist erforderlich, damit auf den Zahnflanken die Kraftübertragung über große, mittige Tragbilder erfolgt. Erschwerend kommt hinzu, dass durch die Verzahnungen selbst Axialkräfte auf die Achsen wirken. Deswegen werden insbesondere bei den Kegelradgetrieben oft axial vorgespannte Kegelrollenlager verwendet.

Aufbau von Schneckengetrieben

Schneckengetriebe bestehen aus einer schraubenförmigen Schneckenwelle und einem Schneckenrad (Zahnrad). Bei den gebräuchlichen Zylinderschneckengetrieben ist die Schnecke zylindrisch, benötigt keine axiale Justierung bei der Montage. Das Schneckenrad hat eine Globoidform, damit sich ein breites Tragbild einstellt. Bei den Globoidschneckengetrieben ist es umgekehrt.

Die Schneckenwelle dreht schneller als das Schneckenrad, wobei das Verhältnis der Anzahl der Schneckenradzähne zur Anzahl der Schneckengänge das Drehzahlverhältnis und somit die Übersetzung der Schneckenstufe darstellt. Eine Schneckenstufe hat immer einen Versatz der sich kreuzenden Achsen. Er wird als Achsabstand bezeichnet und kennzeichnet die Baugröße. Durch diesen Versatz können bei (einstufigen) Schneckengetrieben sowohl die Schneckenwellen als auch Schneckenradwellen durchgehend ausgeführt werden, was sich manchmal im Vergleich zu Kegelradgetrieben als konstruktiv vorteilhaft erweist.

Der schraubende Bewegungsablauf mit seinem hohen Gleitanteil im Gleitwälzkontakt des Zahneingriffs hat zur Folge, dass fresssichere Werkstoffe wie z. B. Bronze als Schneckenradwerkstoff zum Einsatz kommen.

Aufbau von Kegelradgetrieben

Eine Kegelradstufe besteht aus einem Kegelritzel und Kegelrad (häufig Tellerrad genannt). Sie können geradverzahnt, schrägverzahnt oder bogenverzahnt ausgeführt sein. Sowohl das Kegelritzel als auch das Tellerrad sind heute meistens aus einsatzgehärtetem Stahl gefertigt, wodurch diese bei guter Schmierung nahezu verschleißfrei betrieben werden können.

In seiner einfachsten Form besteht ein Kegelradgetriebe dabei nur aus einer Getriebestufe. NORD-Kegelradgetriebe haben allerdings stets mehrere Getriebestufen: Die Stufenanordnung ist bei uns, ausgenommen bei Industriegetrieben, wie folgt:

2-stufig: Stirnradstufe (1. Stufe), Kegelradstufe (2. Stufe)
3-stufig: Stirnradstufe (1. Stufe), Kegelradstufe (2. Stufe), Stirnradstufe (3. Stufe)
4-stufig: Stirnradstufe (1. Stufe), Stirnradstufe (2. Stufe), Kegelradstufe (3. Stufe), Stirnradstufe (4. Stufe).

Vorteile von Schneckengetrieben

Aufgrund des hohen Gleitanteils im Zahneingriff ist die Geräuschemission von Schneckengetrieben sehr gering und der Übersetzungsbereich einer Schneckenstufe in der Praxis sehr groß (ca. i = 4 bis 100). Hierdurch sind oft weniger Getriebestufen erforderlich, wodurch die Anzahl der beweglichen Teile, die Baugröße, das Gewicht, die Kosten und auch die lastunabhängigen Verlustleistungen kleiner sind. Weil eine größere Anzahl von Schneckenradzähnen gleichzeitig im Eingriff ist, können Schneckengetriebe kurzzeitig hohe Überlastungen und Stöße schadlos ertragen. Die Vorteile dieser Getriebe kommen insbesondere im Aussetzbetrieb (z. B. Stellantrieben), bei Anwendungen mit Stößen und Lastkollektiven mit stark unterschiedlichen Lasten und mit längeren Laufzeiten im Niedriglastbereich sowie bei kleinen Baugrößen zur Geltung. Schneckengetriebe können bei Leistungsflussumkehr bei bestimmten Verzahnungsauslegungen selbsthemmend sein, wodurch gegebenenfalls Bremsen kleiner ausgewählt werden können oder ganz entfallen.

Nachteile von Schneckengetrieben

Aufgrund des hohen Gleitanteils haben Schneckenstufen mit hoher Übersetzung (ca. i > 10) einen geringeren Wirkungsgrad der Verzahnung als Kegelradstufen. Des Weiteren muss bei einem Anlauf unter Last die Haftreibung in der Verzahnung überwunden werden. Insbesondere bei höherer Übersetzung in der Schneckenstufe müssen diese Effekte bei der Motorenauslegung berücksichtigt werden. Die aufgrund des hohen Gleitanteils oft verwendete Bronze hat den Nachteil, dass ihre Legierungsbestandteile sehr teuer im Einkauf sind. Anwendungen mit hoher Betriebsstundenzahl (z. B. Dauerbetrieb) unter langanhaltend hoher Last können zu Verschleiß des Schneckenrades aus Bronze führen und somit die Standzeit begrenzen.

Vorteile von Kegelradgetrieben

Aufgrund des hohen Wälzanteils im Zahneingriff ist der Wirkungsgrad der Verzahnung hoch. Mit der Kegelradstufe können auch Übersetzungen von 1:1 bei hohen Wirkungsgraden von 96 bis 98 % realisiert werden. Durch eine gedrehte Anordnung des Tellerrades lässt sich der Drehsinn mit gleichen Verzahnungsteilen ändern, wenn hierfür der Platz im Getriebegehäuse vorhanden ist. Kegelradgetriebe werden bevorzugt in Anwendungen mit hoher Betriebsstundenzahl (z. B. Dauerbetrieb), langanhaltend hoher Last oder gleichmäßigem Betrieb eingesetzt.

Nachteile von Kegelradgetrieben

Durch den hohen Wälzanteil und die kleine Zahnüberdeckung in der Verzahnung ist die Geräuschemission von Kegelradgetrieben höher als bei Schneckengetrieben. Auch die praktische maximale Übersetzung einer Kegelradstufe ist auf i = 6 begrenzt, weil sonst die Tragfähigkeit bei gegebener Baugröße zu stark reduziert wird. Hierdurch sind bei höheren gewünschten Getriebeübersetzungen zusätzliche Getriebestufen (in der Regel Zahnradstufen) erforderlich, die den Bauraum, Gewicht, Teileanzahl und Kosten erhöhen. Aufgrund der meist fliegenden Kegelritzelanordnung und um ein gutes Lasttragen im Zahneingriff zu gewährleisten, müssen Kegelritzel und Tellerrad genau axial ausgerichtet sein. Dies macht große tragfähige Lager erforderlich. Sehr oft werden vorgespannte Kegelrollenlageranordnungen mit hoher Lagerreibung gewählt, weil sie die Anforderungen an die Tragfähigkeit am besten erfüllen. Durch die höhere Anzahl der Getriebestufen und die vorgespannten Lager sind die lastunabhängigen Verlustleistungen oft höher als bei Schneckengetrieben, wodurch der Wirkungsgrad im Teillastgebiet insbesondere bei kleinen Baugrößen deutlich abfällt.

Breites Produktangebot von NORD

NORD hat eine sehr umfangreiche Produktpalette: Je nach Anwendung können wir sowohl Kegelradgetriebe als auch Schneckengetriebe liefern und sind daher unvoreingenommen in der Auswahl. Hierdurch sind wir in der Lage, für jede Anwendung die optimale Lösung anzubieten. Der Drehmomentbereich der NORD-Winkelgetriebe reicht von ca. 20 bis 280.000 Nm!

Winkelgetriebelösungen von NORD zeichnen sich dadurch aus, dass wir aufgrund unserer Vielfalt in den meisten Fällen auch bei kleinen Stückzahlen eine optimale Lösung aus unserem Baukasten zur Verfügung stellen können. Im Bereich der kleinen Schneckengetriebe hat NORD beispielsweise ein sehr großes, bewährtes, modulares Baukastensystem, wodurch auf einfache Weise für sehr viele Anwendungen gute Lösungen gefunden werden. Bei großen Bandantriebsaggregaten, die NORD mit Industriegetrieben auf Schwingen realisiert, kommen aufgrund der Baugröße und der durchgesetzten Leistung Schneckengetriebe nicht in Frage. Diese hätten in diesen Baugrößen ein Wärmeproblem.

Bei Anforderungen an hohe Übersetzungen: Schneckengetriebe von NORD

NORD Schneckengetriebe eignen sich optimal für den Einsatz in der Intralogistik, der Verpackungstechnik oder der Lebensmittelindustrie. Die Gründe hierfür sind neben den hohen Übersetzungsanforderungen, die in diesen Bereichen sporadisch auftretenden hohen Spitzenlasten sowie die langen Laufzeiten bei kleiner Last. Des Weiteren können unsere Schneckengetriebe mit lebensmittelverträglichen Schmierstoffen betrieben werden. Auch bei Brotschneidemaschinen in Backshops oder Supermärkten bieten Schneckengetriebe viele Vorteile, da sie die hier auftretenden harten Stöße beim Anfahren, Bremsen und Eintauchen des Messers in das Brot gut vertragen. Außerdem ist der geräuscharme Betrieb in diesen Anwendungen sehr von Vorteil. Als Antrieb für Aufzüge in Gebäuden werden Schneckengetriebe ebenfalls gerne wegen ihres geräuscharmen Laufs, dem Aussetzbetrieb sowie der Selbsthemmung eingesetzt.

Beim Einsatz von Schneckengetrieben sollte berücksichtigt werden, dass im generatorischen Betrieb, z. B. beim Bremsen einer Masse, das Getriebe die Bremse unterstützt. Durch die temporäre Wirkungsgradreduktion bei einer Leistungsflussumkehr können und sollten Bremsen daher kleiner dimensioniert werden. Es kann sogar so weit kommen, dass Schneckengetriebe im Bereich der hohen Übersetzungen in der Schneckenstufe im Stillstand selbsthemmend oder sogar im Lauf selbstbremsend sein können. Je nach Anwendung kann diese Eigenschaft schädlich oder vorteilhaft sein. So können beispielsweise bei Stellantrieben einmal erreichte Positionen auch ohne Bremse gehalten werden. Die Selbstbremsung kann aber auch schädlich sein, z. B. in Form von Ratterschwingungen beim Lastsenken im generatorischen Betrieb. NORD hat hierfür ein eigenes Berechnungstool entwickelt und kann diese Eigenschaften bei der Auswahl des Antriebes berücksichtigen.

Drei gute Gründe sprechen für unsere Lösungen:

Robustheit: Unsere Schneckengetriebemotoren verfügen über eine hohe Überlastfähigkeit.
Benutzerfreundlichkeit: Wash-down-Ausführungen ermöglichen die einfache und effiziente Reinigung der Antriebssysteme.
Flexibilität: Die Modularität unserer Komponenten gibt Anwendern ein Maximum an Freiheit.

Baukasten für maximale Flexibilität

Es gibt unzählige Anwendungen für Antriebssysteme, die jeweils spezifische Ansprüche stellen. Mit den UNIVERSAL-Schneckengetriebemotoren der SI-Serie können alle Komponenten so zusammengestellt werden, wie es die Anwendung erfordert. Die UNIVERSAL-Schneckengetriebe überzeugen durch hohe Leistungsdichte und geringen Platzbedarf.

Eine saubere Sache

Gerade in hygienisch sensiblen Branchen wie der Lebensmittel- oder Pharmaindustrie müssen Anlagen und Komponenten leicht zu reinigen sein. Unsere UNIVERSAL-Schneckengetriebemotoren der SMI-Serie verfügen deshalb über eine glatte Oberfläche. Diese Getriebemotoren werden wahlweise mit IEC- oder NEMA-Motor oder mit kupplungslosem Motor-Direktanbau, jeweils in Fuß- oder Flanschausführung, geliefert.

Kompakt und effizient

Das aus Aluminium-Druckguss gefestigte BLOCK-Gehäuse des zweistufigen Stirnrad-Schneckengetriebes SK 02040.1 garantiert maximale Festigkeit und Steifigkeit bei geringem Gewicht. Das Getriebe deckt einen Leistungsbereich von 0,12 bis 1,10 kW und Drehmomente bis 100 Nm ab. Die breite Übersetzungspalette von 5,37:1 bis 330:1 ermöglicht die optimale Anpassung an die jeweiligen Kundenbedürfnisse.

Kegelradgetriebemotoren von NORD

Unsere Antriebssysteme aus Elektromotor und Kegelradgetriebe eignen sich besonders für den Einsatz an Förderbändern sowie in der Intralogistik, Verpackungstechnik und Lebensmittelindustrie. Vorteile unserer Kegelradgetriebemotoren sind:

Leistungsstärke: Drehmomente bis 50.000 Nm (als Industriegetriebemotor bis 282.000 Nm).
Effizient: Sehr hoher Wirkungsgrad über den gesamten Übersetzungsbereich hinweg.
Benutzerfreundlichkeit: Die leicht zu reinigende Wash-down-Ausführung sorgt für Sauberkeit (NORDBLOC.1).
Flexibilität: Der Drehsinn zwischen An- und Abtriebswelle ist problemlos umkehrbar.

Der Klassiker

Der BLOCK-Kegelradgetriebemotor bietet einen Drehmomentbereich von 180 bis 50.000 Nm und beansprucht dank seines kompakten BLOCK-Gehäuses nur wenig Bauraum. Der Motor ist – wie alle anderen Kegelradgetriebemotoren von NORD auch – mit integrierter Rücklaufsperre und integrierter Bremse lieferbar.

Noch mehr Power

Bei unseren NORDBLOC.1-Antriebssystemen mit Kegelradgetriebe haben wir die Performance noch weiter optimiert: Sie sind jetzt unsere leistungsfähigsten Kegelradgetriebemotoren. Die NORDBLOC.1-Motoren mit Kegelradgetriebe fertigen wir standardmäßig mit einem Gehäuse aus hochfestem Aluminium-Druckguss.

Speziell für Wash-down-Anwendungen, z. B. in der Lebensmittelindustrie, haben wir unsere NORDBLOC1.-Kegelradgetriebemotoren der Baureihe SK 930072.1 - SK 93772.1 entwickelt. Diese Ausführung verfügt über ein besonders glattes Aluminiumkokillenguss-Gehäuse, das leicht zu reinigen ist und Schmutzanhaftungen verhindert.

Kegelradgetriebemotoren für die Intralogistik

In Kombination mit einem IE4-Synchronmotor wird aus unseren 2-stufigen Kegelradgetrieben das energieeffiziente LogiDrive®-System für die Intralogistik. LogiDrive®-Antriebe haben eine hohe Überlastfähigkeit und senken dank ihres sehr hohen Wirkungsgrads die Betriebskosten deutlich. Durch ihren modularen Aufbau spart der Anwender außerdem Wartungskosten in erheblichem Umfang.

Das servicefreundliche und standardisierte Baukastensystem kombiniert unterschiedliche NORD-Produkte zu einer Antriebslösung, die zu 100 Prozent auf die entsprechenden Branchenstandards und Anwendungsanforderungen zugeschnitten ist. Dabei unterscheiden wir nach den Bereichen Post & Parcel und Airport auf der einen sowie Warehouse auf der anderen Seite. Im erstgenannten Anwendungsbereich sind Antriebe für Paketverteil- und -sortiersysteme sowie für Gepäckabfertigungen angesiedelt; im zweiten für klassische Warehouse-Anwendungen wie Paletten-, Behälter und Hängebahnförderer. In beiden Bereichen bieten wir jeweils eine Basic- und Advanced-Ausführung.

Industriegetriebe für höchste Drehmomente

Hochbelastbar, drehmomentstark und geräuscharm: Das sind die MAXXDRIVE® Kegelstirnradgetriebe von NORD. Mit Antriebsdrehmomenten bis zu 260.000 Nm und Leistungen bis zu 4.000 kW sorgen die Getriebe auch in Heavy Duty-Anwendungen für den nötigen Antrieb – z. B. in Bandförderanlagen, Mischern, Rührwerken, Extrudern, Trommeln oder Mühlen. Die Kegelstirnradgetriebe sind in 2-, 3- und 4-stufiger Ausführung erhältlich. Ihre Zahnräder bestehen aus hochwertigen Stahllegierungen und sind einsatzgehärtet. Durch den Einsatz unserer BLOCK-Gehäuse können wir große Wälzlager verwenden, die eine lange Lebensdauer der Getriebe garantieren. Weiterer Vorteil ist, dass sie sich an allen sechs Seiten bequem montieren lassen.