Unter Kegelradsätzen verstehen wir ein Zahnradpaar, welches einen Achswinkel von 90° aufweist. Das klingt auf den ersten Blick trivial, setzt aber die Beherrschung eines weiteren Freiheitsgrad voraus.

Vergleich mit der Stirnradverzahnung

Kurz zum Abholen: Stirnradpaarungen bestitzen 2 achsparallele Achsen. Die Hauptstreugröße hierbei ist der Achsabstand, der je nach Positionstoleranzen der Lagersitze unterschiedlich ist. Da auch aus Montagegründen ein Verzahnungsspiel vorhanden sein muss, damit die Wellen und Zahnräder axial zueinander auf Position geschoben werden können, ist hier eine Spielfreiheit nicht so einfach möglich.

Da die Flankengeometrie aus einer Evolventen-Verzahnung besteht kommt hier ein Umstand zum Tragen, der Nachteile für einen ruhigen Lauf und die Geräuschentwicklung deutlich reduziert. Die Evolvantenverzahnung verträgt größere Achsabstandsstreuungen recht gut, ohne dass negative Einflüsse zu erwarten sind.

Einfluss auf die Lebensdauer der Verzahnungen bei vielen 1000 Betriebsstunden sind auch die Achsschränkung und die Achsneigung ... also das Verkippen der Achsen. Sprich: der Einfluss wenn die Achsen nicht exakt parallel sind. Das kann zum einen von der ungünstigen Kombination der radialen Position der beiden Lagersitze einer Welle sein, es kann aber auch auf Wellenbiegungen zurückzufügen sien, die je nach Belastung der Verzahnung neben der Erhöhung des Achsabstands bei Last (eher unkritisch) auch eine Winkelabweichung aufgrund der Biegelinie der Welle ursächlich ist. Dem kann man mit einer Breitenballigkeit der Verzahnung entgegenwirken, was allerdings sehr viel Erfahrung und viele Versuche voraussetzt. Bei größeren Stückzahlen lohnt sich der Aufwand aber denn damit sind Lebensdauersteigerungen von bis zu 300-500% möglich. Natürlich gibt es auch andere Faktoren wie die Beölung, das Öl selber mit seinem Alterungsverhalten und ähnliches.

Herausforderungen bei der Kegelradverzahnung

Bei der Kegelradverzahnung treten anstelle des Achsabstands bei der Stirnradverzahnung die beiden Axialpositionen der beiden Kegelradachsen. Nur wenn beide ideal zueinander liegen, kann die Kegelradverzahnung einen guten Verzahnungskontakt aufweisen. Abweichungen vom idealen Kreuzungspunkt der beiden Achsen werden mit einem stark verschobenen Tragbild beantwortet. Diese hat ungünstigen Belastungsverhältnisse der Zähne zur Folge, also eine einseitige Belastung der Zähne und damit zu einem höheren Verschleiss und verminderter Lebensdauer.

Aber auch auf der Gleichlaufverhalten wirkt sich eine größere Abweichung vom idealen Kreuzungspunkt aus. Der Effekt ist ein schwankendes Verzahnungsspiel über dem Drehwinkel. Will man die Verzahnung spielarm einstellen, so hat man in bestimmten Winkellagen Spiel in der Verzahnung, in anderen erhöhte Reibung. Beides sorgt für ein ungleichmäßiges Abrollen der Verzahnung.

Ebenfalls wichtig ist die Achsneigung und Achsschränkung der beiden Achsen zueinander. Durch den 90° Winkel erhöhen sich die Einflussparameter für die Herstellung einer optimalen Verzahnung beträchtlich (im Vergleich zur Stirnradverzahnung). Trotzdem ist eine solche Verzahnung sehr langlebig und robust, wenn man die wichtigsten Parameter im Griff hat.

Animation eines Kegelradgetriebes (Quelle: Neugart)

Das Tragbild kann über Einfärben der Zahnradflanken und anschließendem Lauf der Verzahnung und Begutachtung ermittelt werden. Ist das Getriebe während der Montage offen drehbar und von außen einsehbar, so kann auch Fett auf die Verzahnung geschmiert werden und anschließend der Zahnkontakt sichtbar gemacht werden.