Versnellingstypen beheersen:toepassingen, ontwerp en productie-inzichten

Tandwielen vormen de ruggengraat van beweging in mechanische systemen. Deze getande componenten brengen snelheid en koppel over in een breed scala aan toepassingen, van klokken tot auto's. Ondanks hun eenvoud kunnen versnellingen een aantal mechanische problemen oplossen, waardoor krachtoverdracht, koppel- en snelheidsconversie en richtingsveranderingen mogelijk zijn, maar alleen als het juiste type versnelling op een geschikte manier wordt geselecteerd en ontworpen.

In dit artikel wordt gekeken naar de belangrijkste soorten tandwielen in de techniek, waaronder rechte tandwielen, spiraalvormige tandwielen, wormwielen en nog veel meer, en worden de belangrijkste voordelen en toepassingen ervan besproken. In het artikel wordt ook gekeken naar de productie van tandwielen, inclusief de belangrijkste bewerkingsprocessen voor tandwielen en de beste materialen.

Wat zijn tandwielen?

Tandwielen zijn mechanische onderdelen die beweging en kracht overbrengen door tegen elkaar aan te draaien. Wat ze speciaal maakt, zijn hun tanden:kleine, gelijkmatig verdeelde randen die in een andere versnelling vergrendelen en ervoor zorgen dat alles soepel beweegt. Wanneer meerdere versnellingen samenwerken, vormen ze een zogenaamde tandwieltrein, waardoor beweging binnen een systeem kan worden overgedragen en aangepast.

Tandwielen werken door rotatiebeweging en koppel van de ene as naar de andere over te brengen. Dit gebeurt wanneer de tanden van het ene tandwiel in elkaar grijpen met de tanden van een ander tandwiel, waardoor het tweede tandwiel in de tegenovergestelde richting draait. Tandwieloverbrenging werkt door het gebruik van tandwielen van verschillende groottes binnen een tandwieltrein:een kleinere versnelling die een grotere aandrijft, verhoogt het koppel, terwijl een grotere versnelling die een kleinere aandrijft de snelheid verhoogt. Het kleinere tandwiel in een tandwieltrein wordt een rondsel genoemd.

In de machinebouw en industriële systemen zijn tandwielen ongelooflijk belangrijk. Ze stellen ingenieurs in staat de snelheid, het koppel en de richting te regelen in een grote verscheidenheid aan systemen, van polshorloges tot zware machines. Goed gemaakte tandwielen bieden een hoge mate van precisie en kunnen asveranderingen in specifieke configuraties vergemakkelijken.

Soorten uitrusting Asopstelling

Voordat we ingaan op de verschillende soorten tandwielen (die voornamelijk worden gecategoriseerd op basis van hun vorm en kenmerken), is het nuttig om de verschillende mogelijke asopstellingen voor tandwielen te onderzoeken.

Tandwielasopstellingen bepalen hoe de tandwielen op hun roterende assen worden geplaatst om vermogen over te brengen. Met andere woorden, hun oriëntatie:parallel, kruisend of geen van beide. Deze verschillende configuraties beïnvloeden factoren zoals invoer-/uitvoersnelheid, koppel en richting.

Hieronder staan de drie hoofdtandwielasconfiguraties en hun belangrijkste kenmerken. Merk op dat de kolom Voorbeelden tandwielen beschrijft op basis van hun vorm en opstelling.

Asopstelling Beschrijving Toepassingen Voordelen Voorbeelden Parallelle astandwielen Tandwielen die werken met assen evenwijdig aan elkaar • Industriële transportbanden
• Hef- en zware machines
• Mengen en verwerken Hoge efficiëntie, krachtoverdracht en laadvermogen, evenals compact ontwerp • Rechte tandwielen
• Spiraalvormige tandwielen
• Tandheugelkruisende astandwielen Tandwielen die assen verbinden die elkaar kruisen onder een hoek (bijvoorbeeld 90°) • Differentieelaandrijvingen
• Handboren
• Industriële apparatuur Hoog rendement, richtingsflexibiliteit, ruimtebesparend voor complexe configuraties • Rechte kegeltandwielen
• Spiraalvormige kegeltandwielen
• VerstektandwielenNiet-parallelle en niet-kruisende astandwielen Tandwielen die werken op assen die scheef of gekruist zijn in de ruimte • Transportbanden en liften (worm)
• Automotive-verschillen (hypoïde)
• RoboticaOntwerpflexibiliteit, hoge reductieverhoudingen en stille, soepele werking voor toepassingen met hoge belasting. • Wormwielen
• Hypoïde tandwielen
• Gekruiste tandwielen (schroefwielen)

In het vorige gedeelte werd gekeken naar de manieren waarop tandwielen ten opzichte van elkaar kunnen worden gepositioneerd om hun gebruik te beïnvloeden. In dit gedeelte wordt gekeken naar tandwielen in termen van hun inherente vorm, kenmerken en functie.

Tandwielen

Cilindrische tandwielen, ook wel rechte tandwielen of rechte tandwielen genoemd, zijn een veel voorkomende tandwielstijl met rechte tanden evenwijdig aan de as van de as. Deze tanden kunnen intern of extern zijn, en de kracht wordt overgedragen via een parallelle as wanneer het ene tandwiel in het andere grijpt.

Tandwielen werken goed bij gematigde snelheden, maar kunnen bij hoge snelheden luidruchtig zijn. Je vindt ze in transportsystemen, snijmachines, lieren en consumptiegoederen.

Spiraalvormige tandwielen

Spiraalvormige tandwielen zijn een ander type tandwiel dat wordt aangetroffen in een parallelle of gekruiste asconfiguratie. Ze verschillen van rechte tandwielen doordat de tandwanden onder een hoek staan, in plaats van evenwijdig aan de rotatie-as.

Omdat schuine tanden geleidelijker ingrijpen dan rechte tanden, hebben spiraalvormige tandwielen het voordeel dat ze soepel en stil lopen en minimale trillingen produceren. Ze zijn daarom populair in hogesnelheidstoepassingen of toepassingen met weinig geluid, waaronder autotransmissies, turbines en pompen.

Konische tandwielen

Kegelvormige tandwielen hebben een conische (of afgeknotte kegel) vorm, waarbij de tanden langs het taps toelopende oppervlak van de kegel lopen. Ze zijn ontworpen voor kruisende schachtconfiguraties, meestal onder een hoek van 90°.

Subtypen kegeltandwielen zijn onder meer:

• Rechte kegeltandwielen :rechte tanden die langs het taps toelopende oppervlak lopen
• Spiraalvormige kegeltandwielen :gebogen, schuine tanden die langs het taps toelopende oppervlak lopen
• Verstekversnellingen :sets kegeltandwielen met 90° asassen en gelijk aantal tanden

Het belangrijkste voordeel van kegeltandwielen is hun vermogen om de draairichting te veranderen en tegelijkertijd een zeer efficiënte krachtoverbrenging te bieden. Ze worden veel gebruikt in differentiëlen in auto's (waardoor wielen met verschillende snelheden kunnen draaien in bochten), krachtoverbrenging, handgereedschap en andere mechanische systemen.

Hypoïde versnellingen

Een hypoïde tandwiel is een variant van het kegelvormige tandwiel, bestaande uit gebogen, spiraalvormige tanden maar op niet-parallelle, niet-kruisende (schuine) assen. Bij een hypoïde tandwiel bevindt de rondselas zich boven of onder het midden van het kroonwiel.

Voordelen van hypoïde tandwielen zijn onder meer een soepele en stille werking, hoge sterkte en het mogelijk maken van een lagere plaatsing van de aandrijfas. Ze worden het meest aangetroffen in differentiëlen in auto's en meertrapsversnellingsbakken.

Wormwielen

Een wormwiel is een tweedelig mechanisme dat bestaat uit een schroefvormige “worm” en een getand “wormwiel” dat beweging overbrengt in een hoek van 90°. Dergelijke tandwielen blinken uit in het aanzienlijk verhogen van het koppel en het verlagen van de snelheid.

Voordelen van wormwieloverbrengingen zijn onder meer zelfremmende eigenschappen die achteruitrijden (achteruit draaien) voorkomen en de veiligheid vergroten, evenals compactheid en stille werking. Hierdoor worden wormwielen vaak gebruikt in kritische toepassingen zoals zware hijsapparatuur (liften, takels) en transportbanden.

Tandheugel

Een tandheugel is een mechanische tandwielconfiguratie die rotatiebeweging omzet in lineaire beweging. De tandheugel is een rechte, getande staaf en het rondsel is een cirkelvormig tandwiel.

Voordelen van tandheugeloverbrengingen zijn onder meer eenvoud en betrouwbaarheid. De meest voorkomende toepassing van een tandheugel zijn stuursystemen voor auto's. Hier is het rondsel verbonden met de stuurkolom en door de rotatie ervan beweegt de tandheugel naar links of rechts, waardoor de voorwielen kunnen draaien.

Planetaire tandwielsets

Een planetair tandwielsysteem (of epicyclisch tandwiel) is meer een configuratie dan een individueel tandwieltype en is een compacte tandwielopstelling bestaande uit een centraal “zonne” tandwiel, meerdere “planeet” tandwielen die eromheen draaien, en een buitenste ringwiel. De configuratie zorgt voor een hoge koppeldichtheid en er kunnen verschillende snelheden worden bereikt door verschillende elementen te vergrendelen.

Planetaire tandwielsets zijn te vinden in automatische transmissies, industriële reductiemechanismen, fietsversnellingen, 3D-printers, robots en andere systemen.

Uitrustingsmaterialen

Veel voorkomende materialen voor tandwielen zijn onder meer metalen zoals staal en brons, evenals bepaalde zeer sterke kunststoffen. Staal is het meest voorkomende tandwielmateriaal.

Metalen tandwielen

Metaal is de primaire materiaalcategorie voor tandwielen vanwege de hogere sterkte en duurzaamheid, evenals de goede hittebestendigheid. Tandwielen met hoog koppel en hoge snelheid zijn doorgaans gemaakt van metaal in plaats van andere materialen.

Veel voorkomende typen metalen tandwielen zijn:

• Koolstofstalen tandwielen :Koolstofstaal is een werkpaardmetaal met een goede sterkte-gewichtsverhouding en duurzaamheid.
• Gelegeerd stalen tandwielen :Tandwielen van gelegeerd staal zijn ideaal voor industriële toepassingen die verhoogde sterkte en slagvastheid vereisen.
• Roestvrijstalen tandwielen :Roestvrijstalen tandwielen hebben de voorkeur vanwege hun verhoogde corrosieweerstand.
• Gietijzeren tandwielen :Voor zware toepassingen met lage snelheden die een goede slijtvastheid vereisen, kunnen gietijzeren tandwielen worden gebruikt.
• Bronzen en messing tandwielen :Brons en andere koperlegeringen zijn vaak het materiaal bij uitstek voor wormwieloverbrengingen en toepassingen met lage wrijving.

Plastic tandwielen

Hoewel metalen tandwielen het landschap domineren, zijn verrassend veel tandwielen gemaakt van kunststof. Kunststof tandwielen hebben het voordeel dat ze heel weinig wegen, weinig geluid maken en minder kosten dan metalen tandwielen. Sommige kunststoffen hebben ook zelfsmerende eigenschappen.

Veel voorkomende soorten plastic tandwielen zijn:

• Nylon tandwielen :Lichtgewicht nylon tandwielen bieden een goede slijtvastheid, zelfsmerende eigenschappen en een hoge sterkte-gewichtsverhouding.
• Acetaal (Delrin) tandwielen :Acetaal tandwielen zorgen voor maatvastheid, lage vochtopname, hoge sterkte en lage wrijving.
• Versnellingen van polycarbonaat :PC-tandwielen bieden uitstekende taaiheid en slagvastheid, hittebestendigheid en maatvastheid.

Productiemethoden voor tandwielen

Soorten productiemethoden voor tandwielen variëren afhankelijk van het type tandwiel, het type tandwielmateriaal, het productievolume en andere factoren. De fabricage van tandwielen omvat doorgaans zowel een snijproces via een vorm van CNC-bewerking (om de algemene vorm van het onderdeel vast te stellen) als een nabewerkingsfase.

Vertandingsprocessen

Tandwielsnijtechnieken zijn gespecialiseerde tandwielbewerkingsprocessen voor het maken van tandwielen uit losse onderdelen. De onderstaande tabel toont de meest voorkomende soorten vertandingen.

Proces Beschrijving Voordelen Beperkingen Vaak gebruikt voor TandwielafrondingGebruikt spiraalvormig snijgereedschap (kookplaat) om continu tandwieltanden te makenEfficiënt, goedkoopComplex gereedschapSpure tandwielen, spiraalvormige tandwielenTandwielvormingGebruikt rondselvormige frees die op en neer beweegt terwijl frees en onbewerkt tandwiel samen roterenVeelzijdig, nauwkeurigTraagInterne tandwielen, gespecialiseerde tandprofielenTandwielfrezenGebruikt horizontale of verticale freesmachine om tandwielprofiel te snijdenLage initiële investering, flexibelLangzaam, hogere kosten per eenheidLaag aantal sporen tandwielen, spiraalvormige tandwielen, wormenTandwiel brootsenGebruikt getand gereedschap (een broots) om materiaal efficiënt te verwijderenZeer snelHoge initiële investeringInterne of externe tandwielen, rechte tandwielen, spiraalvormige tandwielenTandwiel afschavenCombineert tandwielhobben en vormgeven; maakt gebruik van snijgereedschap en schuin werkstuk om metaal af te schrapen Zeer snel, vooral goed voor interne tandwielen Hoge initiële investering, complexe programmering Interne tandwielen zoals planetaire tandwielsets Gear Invo Milling Gepatenteerd proces van Sandvik Coromant dat gebruik maakt van wisselplaatfrezen op 5-assige CNC Flexibel, verkort de gereedschapstijden Langzaam voor zeer hoge volumes Op maat gemaakte tandwielprofielen

Kunststof tandwielinjectiegieten

Spuitgieten is een populair proces voor de grootschalige productie van thermoplastische mechanische onderdelen zoals tandwielen. Kunststof tandwielen vereisen over het algemeen geen smering, kosten minder dan metalen tandwielen, wegen heel weinig en bieden andere voordelen, zoals corrosiebestendigheid en trillingsabsorptie.

Voor kunststof tandwielhoeveelheden van ongeveer 5.000 stuks of meer adviseren wij kunststof spuitgieten als goedkoper alternatief voor machinale bewerking. In hoeveelheden van tien- of honderdduizenden is het aanzienlijk goedkoper. (Aan de andere kant zijn bij zeer kleine hoeveelheden de hoge kosten van spuitgietgereedschap niet gerechtvaardigd.) Nadelen van spuitgegoten tandwielen zijn echter onder meer een lagere sterkte en een niveau van dimensionale instabiliteit.

Naverwerking en afwerking

Nadat er snij- of vormprocessen zijn gebruikt om de tandwielen te maken, helpen nabewerkings- en afwerkingsprocessen de onderdelen tot voltooiing te brengen. Hieronder staan enkele van de belangrijkste nabewerkingstechnieken voor tandwielen die worden gebruikt door bedrijven als 3ERP:

Uitrusting G rinden

Tijdens het slijpen van tandwielen, een schurend bewerkingsproces waarbij slijpschijven worden gebruikt om kleine hoeveelheden materiaal te verwijderen, waardoor de nauwkeurigheid en oppervlakteafwerking van de bewerkte tandwieltanden worden verbeterd.

De twee belangrijkste soorten tandwielslijpen zijn:

• Vormslijpen :Een slijpproces waarbij de slijpschijf overeenkomt met de tandruimte
• Vermaling genereren :Een sneller slijpproces waarbij een schurend wormwiel wordt gebruikt om het tandwiel te slijpen terwijl het ermee ingrijpt

Vertanding aanscherpen

Het tandwielhoningproces verschilt van slijpen doordat er gebruik wordt gemaakt van een gespecialiseerd hoongereedschap om nauwkeurige aanpassingen aan de tandwielvorm te maken. Het is langzamer dan slijpen, maar veroorzaakt minder thermische spanning.

Versnelling leppen

Het proces van het leppen van tandwielen omvat het gebruik van een schurende pasta en bijpassende gereedschappen om de tandwieltanden af te werken. Het proces is zeer nauwkeurig en wordt gebruikt om het paringscontact te verbeteren, hoewel het vrij duur is.

Warmtebehandeling

Na het machinaal bewerken van de tandwielen wordt een hittebehandeling toegepast om de sterkte en hardheid te vergroten, wat resulteert in tandwielen met een langere levensduur.

Soorten warmtebehandeling voor tandwielen zijn onder meer:

• Carbureren :Voegt bij hoge temperaturen koolstof toe aan de uitrusting om een slijtvast oppervlak te creëren
• Nitreren :Maakt gebruik van lagere temperaturen en stikstof om de weerstand tegen vermoeiing te vergroten zonder vervorming te veroorzaken
• Inductieharden :Gebruikt een elektromagnetisch veld om specifieke delen van de uitrusting te verwarmen en te verharden

Andere oppervlaktebehandelingen

Op tandwielen kunnen verschillende oppervlakteafwerkingsprocedures voor metalen bewerkingsonderdelen worden toegepast. Deze omvatten vernikkeling, zwarte oxidecoating en smeerbehandeling.

Productiediensten op maat door 3ERP

Wanneer kant-en-klare componenten niet aan de specifieke gebruikersbehoeften kunnen voldoen, moet op maat gemaakte tandwielproductiediensten worden gezocht bij een vertrouwde leverancier zoals 3ERP.

3ERP is gespecialiseerd in het produceren van hoogwaardige tandwielen in kleine tot middelgrote volumes en biedt een breed scala aan hoogwaardige materialen, productieprocessen en nabewerkingsopties. Als expert in prototyping en bruggenproductie kunnen we helpen tijdens het hele proces van het maken van op maat gemaakte tandwielen.

Onze op maat gemaakte tandwielproductiediensten omvatten:

• Snelle prototypingdiensten inclusief ontwerpassistentie
• Productiediensten met een laag volume om prototypes in producten om te zetten
• Deskundige CNC-bewerkingsdiensten, waaronder 5-assige bewerking, precisieslijpen en meer voor de productie van metalen en kunststof tandwielen
• Snelle gereedschaps- en kunststofspuitgietdiensten voor de goedkope productie van kunststof tandwielen

Ontvang vandaag nog een offerte voor alle soorten tandwielen in welke hoeveelheid dan ook.

Veelgestelde vragen

Wat zijn de meest voorkomende soorten tandwielen in de machinebouw?

Enkele van de meest voorkomende mechanische tandwielen zijn rechte tandwielen, spiraalvormige tandwielen en kegeltandwielen. Iets complexere mechanismen zijn onder meer wormwielen en tandheugeloverbrengingen.

Wat zijn de verschillende soorten tandwieltanden?

Tandwielen kunnen verschillende profielen en verschillende opstellingen of oriëntaties hebben. Tandwielvormen zijn onder meer ingewikkeld, cycloïd en trochoïde, en deze kunnen recht, spiraalvormig, dubbel spiraalvormig (visgraat) zijn, of op andere manieren gepositioneerd.

Wat zijn enkele soorten tandwielingrijping of soorten tandwielverbindingen?

De manier waarop de tandwielen in elkaar grijpen, hangt af van zowel de tandwielvorm als de asoriëntatie. Zo maken spiraalvormige tandwielen op parallelle assen in elkaar grijpend contact over de hele lijn, terwijl spiraalvormige tandwielen op gekruiste assen slechts op één punt contact maken.

Hoe worden tandwielen gemaakt?

De productie van tandwielen begint met een blanco stuk (meestal gemaakt via smeden of gieten als de tandwielen van metaal zijn) voordat de tanden worden gesneden met behulp van een gespecialiseerd bewerkingsproces. Bewerkingsprocessen voor algemeen gebruik, zoals CNC-frezen, zijn langzamer dan tandwielvriendelijke processen zoals afwikkelen en schaven.

Kunststof tandwielen kunnen op vergelijkbare wijze worden gemaakt of door middel van spuitgieten, waarbij gebruik wordt gemaakt van een metalen mal met een tandwielvormige holte.

Wat zijn de beste materialen voor tandwielen?

Tandwielen kunnen gemaakt zijn van metaal voor de hoogste sterkte en duurzaamheid, of van plastic voor de hoogste zelfsmering en het laagste geluid en gewicht. Tot de gebruikelijke metalen behoren staal, gietijzer en brons, terwijl tot de gebruikelijke kunststoffen nylon, acetaal en polycarbonaat behoren.