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Wie überträgt ein Drehkranz Drehmoment?
Bei der Dimensionierung von Schwenkantrieben stellen sich Ingenieure oft dieselbe Frage: Wohin fließt das Motordrehmoment, sobald sich das Ritzel dreht? Ein Schwenkzahnkranz wandelt die Kraft des Ritzels in die Rotation einer großen Plattform um. Das Drehmoment entspricht der tangentialen Zahnkraft des Ritzels multipliziert mit dem Teilkreisradius des Zahnkranzes. Die Zähne des Zahnkranzes, die darunterliegende Laufbahn und die Montagekonstruktion müssen diese Kraft aufnehmen, ohne sich zu verziehen.
UnserDrehkranzTeile und komplettSchwenkantriebeFolgen Sie diesem Prinzip. Dieser Artikel erläutert den Lastpfad, die Parameter, die ihn beeinflussen, und die Fragen, die vor der Wahl einer Lagerkonfiguration geklärt werden sollten.
Kurz gesagt: Drehmoment ist eine Kraft, die mit einem Radius wirkt.
Ein Zahnkranz erzeugt kein Drehmoment. Er empfängt eine Tangentialkraft am Teilkreis und leitet diese an den Zahnkranzkörper weiter, der die Last in Rotation versetzt. Zwei Zahlen bestimmen das Ergebnis:
Tangentiale Zahnkraft (Ft):wird durch das Abtriebsdrehmoment von Motor und Getriebe geteilt durch den Teilkreisradius des Ritzels bestimmt.
Teilkreisradius des Rings:Je größer der Wert, desto größer ist das Drehmoment, das bei gleicher Zahnkraft unter Last erzeugt wird.
Das Übersetzungsverhältnis zwischen Ritzel und Tellerrad ergibt sich aus der Anzahl der Zähne des Tellerrads geteilt durch die Anzahl der Zähne des Ritzels. Ein großes Tellerrad erhöht das Drehmoment und verringert die Drehzahl. Daher kann ein Ritzelantrieb mit moderater Größe einen schweren Oberwagen nur langsam drehen.
Diese vereinfachte Betrachtungsweise hat den Nachteil, dass sie nur die tangentiale Komponente berücksichtigt. Jeder reale Eingriff erzeugt zusätzlich eine radiale Trennkraft und, bei schrägverzahnten Teilen, eine axiale Kraft. Diese Kräfte wirken auf die Ritzellager und die Montagekonstruktion und entscheiden oft darüber, ob ein Antrieb fluchtet.
Drehmomentpfad vom Ritzel über die Zahnradzähne zum rotierenden Ring
Folgen Sie der Last Schritt für Schritt, beginnend beim Motor:
Motor- und Getriebeausgangsleistung.Das Untersetzungsgetriebe überträgt das Drehmoment auf die Ritzelwelle.
Ritzelzähne.Das Ritzel wandelt das Wellendrehmoment in eine Tangentialkraft an seinem Teilkreis um.
Zahngeflecht.An der Kontaktlinie teilen sich mehrere Zähne die Last. Hier treten sowohl Biegespannungen an der Zahnwurzel als auch Kontaktspannungen an der Zahnflanke auf.
Zahnkranzkörper.Die Kraft wird von den Zähnen in den Ringbereich übertragen, der sowohl einer Verdrehung als auch einer lokalen Auslenkung widerstehen muss.
Rennbahn und bewegliche Elemente.Der Ring ist Teil eines Lagers und trägt daher gleichzeitig auch axiale Lasten, radiale Lasten und Kippmomente von der Plattform.
Verschraubte Verbindung und Konstruktion.Der feste Ring ist mit dem Sockel verschraubt. Die Reaktionskraft des Antriebsdrehmoments wird über das Ritzelgehäuse in dieselbe Struktur zurückgeleitet.
Der letzte Schritt wird oft übersehen. Die Ritzel- und die Lageraufnahme sind zwei Verbindungen zum selben Rahmen. Verbiegt sich der Rahmen zwischen ihnen, ändert sich der Achsabstand unter Last, und der Zahneingriff verlagert sich zu einer Kante hin.
Internes vs. externes Getriebe: Wie sich das Antriebslayout ändert
| Artikel | Außenzahnkranz | Innenzahnkranz |
|---|---|---|
| Ritzelposition | Außerhalb des Rings | Im Inneren der Ringbohrung |
| Drehrichtung | Ritzel und Teller drehen sich in entgegengesetzte Richtungen | Ritzel und Teller drehen sich in die gleiche Richtung |
| Raum | Außen muss ausreichend Platz vorhanden sein; der Antrieb kann problemlos angeschraubt werden. | Insgesamt kompakter, nutzt aber die zentrale Bohrung und kann den Kabel- oder Rohrdurchgang blockieren. |
| Zugang für Schmierung und Inspektion | Die Zähne sind offen und leicht zu erreichen | Die Zähne sind geschützt, daher ist die Untersuchung schwieriger. |
| Zahnkontakt | Konvexe Flanke an konvexer Flanke | Konvexe Flanke trifft auf konkave Flanke, was im Allgemeinen eine größere Kontaktfläche und mehr Zähne im Eingriff ergibt. |
| Typische Passform | Kräne, Bagger und Plattformen, bei denen die Zufahrt außen liegt | Kompakte Maschinen, bei denen der äußere Bauraum begrenzt ist |
Keine der beiden Bauformen ist per se besser. Innenverzahnung bietet Vorteile hinsichtlich Kompaktheit und Eingriffsqualität, erschwert jedoch den Zugang zur Bohrung und damit die Wartung. Außenverzahnung ist leichter zu prüfen und zu schmieren, benötigt aber mehr Platz und Schutzvorrichtungen. Die Wahl hängt davon ab, wo das Ritzel montiert werden kann und wer die Wartung übernimmt.
Auch der Zahnkranz ist wichtig. Das Zahnrad kann entweder auf dem rotierenden oder dem festen Zahnkranz gefertigt sein. Befinden sich die Zähne auf dem festen Zahnkranz, dreht sich das Ritzel mit dem Oberteil, und der Motor bewegt sich mit ihm. Sind sie auf dem rotierenden Zahnkranz, bleibt der Antrieb fest mit dem Grundkörper verbunden. Im ersten Fall müssen Strom und Kühlung zu einem beweglichen Antrieb geleitet werden, im zweiten Fall muss die Motorhalterung das volle Drehmoment auf den Grundkörper übertragen.
Getriebeparameter und was sie tatsächlich verändern
Ein hoher Wert ist in keinem dieser Fälle automatisch besser. Jeder Parameter verändert etwas anderes.
| Parameter | Was es betrifft | Abtausch |
|---|---|---|
| Modul (Zahngröße) | Biegefestigkeit jedes einzelnen Zahns | Ein größeres Modul trägt mehr Last pro Zahn, ergibt aber bei gleichem Durchmesser weniger Zähne und ein gröberes Verhältnis. |
| Gesichtsbreite | Lastverteilung entlang des Zahns | Eine breitere Oberfläche verringert die Kontaktspannung, reagiert aber empfindlicher auf Fehlausrichtungen und Rahmenverformungen. |
| Druckwinkel- und Profilverschiebung | Wurzelfestigkeit, Unterschnittrisiko und Radialkraft | Änderungen, die die Zahnfestigkeit erhöhen, können die Trennkraft auf die Ritzellager erhöhen. |
| Zahnhärte und Wärmebehandlung | Verschleiß- und Lochfraßbeständigkeit | Härtere Flanken widerstehen dem Verschleiß besser, lassen aber weniger Spielraum für Kontaktfehlausrichtung. |
| Zahnfeinheit (geschnitten oder geschliffen) | Geräusch-, Kontaktmuster- und Positionierungsgenauigkeit | Geschliffene Zähne sind teurer und die Herstellung dauert länger, daher eignen sie sich eher für die Präzisionspositionierung als für jede Anwendung. |
| Gegenreaktion | Wiederholgenauigkeit der Positionierung und Stoßfestigkeit bei Richtungsumkehr | Weniger Spiel verbessert die Genauigkeit, aber zu wenig Spiel birgt die Gefahr des Blockierens durch Wärmeausdehnung oder Verformung. |
| Material | Festigkeit und Verschleißverhalten | Legierte Stähle wie 42CrMo bieten eine höhere Festigkeit für hohe Belastungen, jedoch muss die Stahlsorte zur Wärmebehandlung und Querschnittsgröße passen. |
Der praktische Hinweis: Die Nennlast eines Zahnkranzes und die tatsächliche Belastung durch das Ritzel sind zwei verschiedene Dinge. Das maximale Drehmoment beim Anfahren, Anhalten und bei Wind- oder Trägheitslasten kann deutlich über dem Drehmoment im Dauerbetrieb liegen. Verwenden Sie daher Maximalwerte für die Zahnfestigkeit und Dauerwerte für die Verschleißlebensdauer.
Wie Zahnradzähne, Laufbahn und Struktur interagieren
Ein Zahnkranz wird selten allein durch Drehmoment belastet. Das Gewicht der Plattform und Momentenkräfte drücken den Zahnkranz gegen seine Wälzkörper, und dieselbe Durchbiegung, die die Laufbahn neigt, verändert auch den Zahneingriff. Aus der Mechanik ergeben sich einige Zusammenhänge:
Das Kippmoment verschiebt das Netz.Bei einer Neigung des Zahnkranzes verlagert sich der Ritzelkontakt zu einem Ende des Zahnes hin. Daher sollten Zahnbreite und Lagersteifigkeit gemeinsam beurteilt werden.
Die Steifigkeit der Verschraubung bestimmt die Ebenheit.Ein an einem flexiblen Rahmen verschraubter Ring kann sich verformen, und die Zähne laufen selbst bei präziser Bearbeitung nicht rund.
Die Art der Laufbahn beeinflusst, wie stark der Ring geneigt werden kann.ADreireihige RollendrehlagerDie Konstruktion ermöglicht im Allgemeinen die Aufnahme hoher Momente bei geringerer Neigung als einreihige Kugellager, was zu einem stabilen Zahneingriff beiträgt. Die genaue Belastungsgrenze hängt von der Lagergröße und dem Lastfall ab. Fordern Sie daher die berechneten Werte für Ihre Anwendung an.
Die Wärmebehandlungszonen überlappen sich.Gehärtete Zähne und gehärtete Laufbahnen sind unterschiedliche Merkmale. Fragen Sie nach, wo die Zahnhärtung beginnt und endet und wo sich eine eventuelle weiche Zone im Verhältnis zu den Bolzenlöchern und dem Hauptlastbereich befindet.
Segmentierte Ringe erfordern einen weiteren Aspekt. Sehr große Durchmesser werden oft in Abschnitte unterteilt, die vor Ort montiert werden. Die Genauigkeit der Verbindungen bestimmt dann, wie reibungslos das Ritzel von einem Segment zum nächsten gleitet. Wir haben die verschiedenen Optionen in unserem Artikel ausführlicher behandelt.Großes DrehlagerSeite.
Häufige Missverständnisse und was zu überprüfen ist
Fehler, die das Ergebnis verändern
Die Zahnräder werden nur für das Nenndrehmoment dimensioniert.Spitzen- und Stoßdrehmoment bestimmen die Zahnfestigkeit. Ohne diese Angaben ist die Auswahl unvollständig.
Den Zahnkranz als separates Teil vom Lager betrachten.Zähne, Laufbahn und Bolzenmuster sind in einem Ringkörper integriert, daher wirkt sich eine Änderung an einem der beiden auf die anderen aus.
Aus Gründen der Kompaktheit werden ausschließlich Innenzähne gewählt.Die Bohrung kann für Schleifringe, Hydraulikleitungen oder eine Mittelwelle benötigt werden.
Vorgabe eines minimalen Zahnflankenspiels ohne thermische und Durchbiegungsprüfung.Das Gewebe kann sich bei Betriebstemperatur oder unter Last verklemmen.
Ein Modul von einem anderen Rechner kopieren.Eine Zahngröße, die bei einem Rahmen funktioniert, kann ungeeignet sein, wenn die Steifigkeit oder die Belastung abweicht.
Was Sie vor der Bestellung fragen sollten
Zeichnung mit Modul, Zähnezahl, Eingriffswinkel, Profilverschiebung, Stirnbreite und Zahnflankenspiel
Werkstoffgüte und Wärmebehandlungsspezifikation für Zähne und Laufbahn
Zahnbearbeitungsverfahren und Prüfprotokoll, falls die Zähne geschliffen wurden
Wo die gehärteten Zonen beginnen und enden
Segmentverbindungsdesign bei geteiltem Ring
Montageebenheit und Anforderungen an die Verschraubung der Tragkonstruktion
Diese Dokumente geben Auskunft darüber, ob Zähne und Lager gemeinsam konstruiert wurden. Sie belegen jedoch nicht die Lebensdauer im praktischen Einsatz, da diese von Schmierung, Ausrichtung und der tatsächlichen Belastung abhängt. Hinweise zur Einrichtung finden Sie in unserer Anleitung unter [Link einfügen].Lagereinbau.
Ein praktisches Beispiel und reale Lieferfälle
Beispiel zur Veranschaulichung, kein Kundendatensatz.Angenommen, eine Plattform benötigt ein Antriebsmoment von 20 kN·m am Ring. Der Teilkreisdurchmesser des Rings beträgt 2,0 m, der Teilkreisradius also 1,0 m. Die erforderliche Tangentialkraft an den Zähnen beträgt etwa 20 kN. Beträgt der Teilkreisradius des Ritzels 0,1 m, muss die Ritzelwelle 2 kN·m aufbringen. Das Übersetzungsverhältnis ist 10:1, das Ritzel läuft also zehnmal schneller als der Ring.
Überprüfen Sie dies nun. Die Tangentialkraft von 20 kN ist der Minimalwert. Das maximale Drehmoment beim Anfahren oder Bremsen kann höher sein, und die Zahnfestigkeit muss anhand dieses Wertes überprüft werden. Ein Eingriffswinkel von 20 Grad würde eine Radialkraft von etwa 36 Prozent des Tangentialwerts, also etwa 7 kN, auf die Ritzellager wirken lassen. Viele Konstrukteure dimensionieren die Ritzellager nur anhand der Tangentialkraft und vernachlässigen dabei die Radialkomponente.
LTZC hat in realen Projekten große Zahnringe gefertigt:
8 Meter lange, hochpräzise segmentierte Zahnringe wurden an Wuhan Heavy Industry für die vertikale Rührreibschweißanlage eines wichtigen nationalen Projekts geliefert.
Ein segmentierter Zahnkranz mit geschliffenen Zähnen und einem Außendurchmesser von 6 Metern für Kunden in Hengshui, geliefert an Endkunden.
Im Jahr 2024 wurde ein 10,87 Meter großer, integrierter dreireihiger Rollendrehkranz für stationäre Hebezeuge mit einer Tragfähigkeit von 2.000 Tonnen gefertigt – der größte Drehkranz, den LTZC je hergestellt hat.
Jedes Projekt hatte seine eigene Lastfallbeschreibung. Daher zeigen diese Beispiele die Bandbreite unserer Leistungen und nicht ein Standardleistungsniveau für jede Bestellung. Unser Werk ist nach ISO 9001:2015, ISO 14001:2015 und ISO 45001:2018 zertifiziert. Wir nehmen Bestellungen ohne Mindestbestellmenge entgegen und geben eine Lieferzeit von 30 bis 90 Tagen an, abhängig von der Konfiguration.
Prüfen Sie Folgendes, bevor Sie eine Konfiguration auswählen
Entscheiden Sie, welcher Ring sich dreht und wo der Motor sitzen soll.
Entscheiden Sie, ob Innen- oder Außenverzahnung den Anforderungen hinsichtlich Bauform, Bohrungsanforderungen und Wartungszugang entspricht.
Erfassen Sie das maximale Drehmoment, das konstante Drehmoment, die Axiallast, die Radiallast und das Kippmoment.
Prüfen Sie die Zahnbiegung und die Kontaktspannung bei maximaler Belastung sowie die Belastungen des Ritzellagers einschließlich der radialen Komponente.
Prüfen Sie die Rahmensteifigkeit sowohl im Bereich der Lageraufnahme als auch der Ritzelaufnahme.
Geben Sie die Zahnflankenbeschaffenheit und das Zahnflankenspiel für die von Ihnen benötigte Positioniergenauigkeit an.
Überprüfen Sie dieLeitfaden zur LagerauswahlVergleichen Sie es anschließend mit Ihren eigenen Lastdaten.
Wenn Ihre Konstruktion feststeht, das Zahnrad oder Lager aber nicht, kann unser Team Zeichnungen und Belastungen gemeinsam prüfen. Wir fertigen auch.Kundenspezifische LagerWir berücksichtigen Ihre bestehenden Konstruktionen und Arbeitsbedingungen. Senden Sie uns Ihre Zeichnung, die Lastfallbeschreibung und den gewünschten Durchmesser, und Jessica berät Sie bei der Auswahl eines Drehkranzes und des passenden Lagers.
