Uitgebreide gids voor tandwielen: Definities, typen, profielen, berekeningen & toepassingen

Een tandwiel is de meest voorkomende type mechanisch tandwiel, met een eenvoudig ontwerp. Wat is het profiel van een tandwiel, en hoe werkt het? Hier leren we over tandwieldefinitie, functies, toepassingen, fabricage, typen, tandprofiel, module, terminologie, berekeningsformules, afmetingentabel & tandwiel vs helisch tandwiel.

Wat is een tandwiel?

Het tandwiel is een klassiek tandwieltype dat bestaat uit een cilinder of schijf met rechte, radiaal uitstekende tanden, die parallel zijn aan de centrale rotatie-as. De tanden van een tandwiel kunnen aan de buiten- of binnenkant van de cilinder geplaatst zijn. Een extern tandwiel kan ingriep met een ander extern tandwiel of een intern tandwiel. Een intern tandwiel kan alleen ingriep met één extern tandwiel. Tandwielen zijn wijd erkend voor hun ongekleurde vorm en gemakkelijke fabricage. Ze kunnen licht variëren in naafsvorm of dikte, maar deze verschillen beïnvloeden het basisvlak of tandontwerp van het tandwiel niet.

Het meest opvallende kenmerk van een tandwiel is zijn rechte tanden, die soepel ingriep met de tanden van een ander tandwiel. Dit ontwerp zorgt voor efficiënte en betrouwbare krachtoverdracht tussen parallele assen. Aangezien tandwielen alleen met parallele assen werken, genereren ze geen axiale duwkracht tijdens de operatie. De tandprofielen zijn meestal involute-krommen, die helpen een constante snelheidsverhouding te behouden terwijl de tandwielen draaien. Tandwielen worden veelvuldig gemaakt van materialen zoals staal, messing, brons, of kunststof, en kunnen gehard worden voor verbeterde sterkte en duurzaamheid.

Wat doet een tandwiel?
Functioneel overdragen tandwielen mechanische beweging en kracht tussen twee parallele assen. Door de rechte tanden van één tandwiel met een ander in te grijpen (met dezelfde pitch en drukhoek), overdragen tandwielen rotatiebeweging efficiënt, wat snelheid, koppel, en kracht binnen het systeem controleert. Afhankelijk van hun grootte en indeling, kunnen tandwielen de rotatiesnelheid verhogen of verlagen en het koppel dienovereenkomstig aanpassen.

Toepassingen en gebruik van tandwielen
Tandwielen worden wijd gebruikt in diverse industrieën, inclusief automotive, industriële machines, en consumentenproducten, vanwege hun eenvoud, kosteneffectiviteit, en betrouwbaarheid. Bijvoorbeeld, in voertuigtransmissies helpen tandwielen kracht van de motor naar de wielen over te dragen, wat beweging mogelijk maakt. Hun uniforme tandbelastingdistributie leidt tot soepel operatie en een lange levensduur. Bovendien kunnen tandwielen gecustomiseerd worden met verschillende tandprofielen en formaten om aan specifieke toepassingsbehoeften te voldoen.

Tandwielfabricageproces & Materialen

• Hobben: Dit is de meest voorkomende methode voor het snijden van de tanden van externe tandwielen. Een rotterende cilindrische snijder genaamd een hob snijdt geleidelijk de tandwieltanden terwijl het tandwielblank en de hob synchroon draaien. Hobben creëert accurate tandprofielen efficiënt.
• Vormsnijden: Tandwielvormsnijden gebruikt een teruggaande snijder gevormd als een tandwiel om tanden in het blank te snijden. Het is met name nuttig voor interne tandwielen of tandwielen met speciale profielen.
• Hobbeling: Hobbeling betreft een rekvormige snijder die lineair tegen het rotterende tandwielblank beweegt om de tanden te snijden. Het is minder gebruikelijk maar wordt gebruikt voor specifieke tandwielformaten en -vormen.
• Broaching: Deze techniek wordt voornamelijk gebruikt voor het snijden van interne tandwieltanden. Een broach-tool met progressief grotere tanden wordt door het tandwielblank getrokken of geduwd, wat nauwkeurige interne profielen met gladde afwerkingen produceert.
• Frezen: Frezen verwijdert overtollig materiaal van het tandwielblank om het voor te bereiden of om tandwieltanden te snijden in lage-volume of custom productie. CNC-frezenmachines gebruiken rotterende snijders om het tandwiel te vormen.
• Boren: Boren wordt gebruikt om centrale gaten of montagegaten in het tandwielblank te creëren.
• Ontgraten: Na het snijden worden graten op de tandwieltanden verwijderd door mechanisch of handmatig ontgraten om soepel operatie te garanderen en slijtage te verminderen.

Wat materialen betreft, is koolstofstaal het meest gebruikt voor tandwielfabricage omdat het een uitstekende balans biedt van bewerkbaarheid, slijtvasteheid, sterkte, en kosteneffectiviteit. Koolstofstaal is beschikbaar in graden zoals zachte, medium, en hoge koolstofstaal, elk geschikt voor verschillende sterkte- en hardheidsvereisten. Afhankelijk van de toepassing, kunnen ook andere materialen zoals legeringsstalen, messing, brons, of kunststoffen gebruikt worden om tandwielen te maken.

Verschillende typen tandwielen

De hoofdcategorieën van tandwielen zijn extern en intern. Er zijn ook andere typen tandwielen voor specifieke doeleinden, zoals anti-backlash, pinnaaf, tandstang en pinion, pinnaaf, gesplitste naaf, etc.

1. Extern tandwiel
Het externe tandwiel is het meest voorkomende en eenvoudigste type, met rechte tanden gesneden op het buitenoppervlak van een cilindrisch tandwiel. Deze tandwielen grijpen in met andere externe tandwielen om rotatiebeweging tussen parallele assen over te dragen, met de tandwielen in tegenovergestelde richtingen draaiend. Hun eenvoudige ontwerp maakt ze hoogst efficiënt en gemakkelijk te fabriceren, weshalb ze in talloze tandwielkasten, motoren, timers, en snelheidsverlagers in veel industrieën te vinden zijn.

2. Intern tandwiel
Interne tandwielen hebben hun tanden gesneden op het binnenoppervlak van een cilindrische ring. Deze tandwielen grijpen in met kleinere externe tandwielen, waardoor beide tandwielen in dezelfde richting draaien. Deze configuratie wordt vaak gebruikt in compacte planeetgetandwielsystemen en gespecialiseerde aandrijvingen waar ruimte beperkt is. Interne tandwielen bieden soepel koppeloverdracht en zijn veelvoorkomend in compacte tandwielverlagers en timingapparaten.

3. Anti-backlash tandwiel
Anti-backlash tandwielen zijn ontworpen om de spel, of backlash, tussen de tanden van ingriepende tandwielen te minimaliseren. Backlash is doorgaans nodig om tanddeflectie, thermische uitbuiting, tolerantie voor tandprofiel-fouten, en goede smering toe te staan. Echter, in toepassingen die hoge precisie vereisen, is minimaal tot nul backlash belangrijk. Tandwielfabrikanten hebben anti-backlash tandwielen ontwikkeld om aan deze eisen te voldoen, de hoeveelheid backlash aanpassend volgens de belastingseisen. In het geval van tandwielen, wordt instelbare backlash bereikt door het overlappen en licht verschuiven van twee identieke tandwielen om de tanddikte te controleren. Deze tandwielen worden veelvuldig gebruikt en zijn een kosteneffectieve manier om onnauwkeurigheden in lage-koppel tandwieltreinen te verminderen.

Anti-backlash tandwielen bestaan typisch uit twee tandwielen naast elkaar op een as gemonteerd, verbonden door veren. De veren trekken de tandwielen tegen elkaar aan, creërend een „knijpend” effect op het ingriepende tandwiel. Deze knijpende beweging compenseert voor backlash, wat het aanzienlijk vermindert bij installatie. De precisie van anti-backlash tandwielontwerp maakt ze geschikt voor industrieën zoals luchtvaart, robotica, en hoge-precisie machines. Bijvoorbeeld, hoge-precisie telescopen gebruiken anti-backlash tandwielen om nauwkeurigheid te garanderen door tandspel dat positionering zou kunnen vervormen te elimineren.

4. Tandstang en pinion
Tandstang-en-pinion-systemen combineren een cilindrisch tandwiel (pinion) met een lineaire getande tandstang om rotatiebeweging om te zetten in lineaire beweging of vice versa. Deze opstelling is zeer nuttig in stuursystemen, CNC-machines, en mechanische actuatoren, biedend nauwkeurige lineaire positionering en verbeterde krachtoverdrachtsefficiëntie. Tandstang-en-pinion-aandrijvingen worden gebruikt in automotivestuur, robotica, liften, en industriële automatisering.

Tandwieltandprofiel & Terminologie Berekeningsformule

Meerdere parameters bepalen het profiel of de vorm van tandwielen, inclusief pitch (module/diametrale pitch), drukhoek, het aantal tanden, en meer. Bekeken vanaf de zijkant, zijn de tandvlakken recht en uitgelijnd parallel aan de as. Wat betreft de typen tandwieltandprofielen, komen ze in involute en cycloïdale.

• Het involute-profiel tandwiel is het meest voorkomende en wordt wijd gebruikt in moderne industrie. De drukhoek blijft hetzelfde wanneer het tandwiel werkt. Het is favoriet omdat zijn vorm soepel en consistente overdracht van beweging tussen tandwielen garandeert, zelfs als de centrumafstand tussen de tandwielen lichtelijk verandert. De involute-kromme wordt gegenereerd door een gespannen snaar van een cirkel af te rollen, en deze vorm helpt een constante drukhoek tijdens tandwielrotatie te behouden. Een involute-tandwiel is ook gemakkelijker te fabriceren dan een cycloïdaal tandwiel.

• Het cycloïdaal-profiel tandwiel is een ouder ontwerp, vaak gevonden in oudere of gespecialiseerde apparatuur. De drukhoek verandert altijd tijdens de operatie. De cycloïdaale tandvorm is gebaseerd op het pad getraceerd door een punt op de omtrek van een rollende cirkel, wat verschilt van de involute-kromme. Hoewel cycloïdale tandwielen effectief kunnen zijn, zijn ze gevoeliger voor lichte veranderingen in de centrumafstand tussen tandwielen, en hun fabricage is doorgaans complexer.

Tandwieltandprofiel Diagram

Tandwielafmetingen & Module

De module meet essentieel de grootte van elke tandwieltand ten opzichte van de pitchdiameter. De module geeft direct de grootte en dikte van tandwieltanden aan. Een grotere module betekent grotere tanden en een groter totaal tandwiel, terwijl een kleinere module kleinere tanden en een compacter tandwiel betekent. Twee tandwielen moeten dezelfde module hebben om correct in te grijpen. Als tandwielen verschillende modules hebben, zullen hun tanden niet goed bij elkaar passen, wat mechanische storing veroorzaakt. Standaardmodules zorgen ervoor dat tandwielen goed ingriep zonder interferentie en staan fabricanten wereldwijd toe compatibele tandwielen te produceren.

De tandwielmodule (aangeduid als m) wordt berekend door de pitchcirkeldiameter (d) van het tandwiel te delen door het aantal tanden (z). De pitchcirkel is een verbeeldelijke cirkel die door de tandwieltanden loopt waar de tandwielen effectief ingriep. Bijvoorbeeld, een tandwiel met een pitchdiameter van 100 mm en 20 tanden zal een module van 5 hebben (100 / 20 = 5 mm). Dit betekent dat elke tand overeenkomt met een 5 mm segment van de pitchcirkeldiameter.

Tandwielmaattabel

De werkelijke tandwielafmetingen moeten door de ontwerper berekend worden op basis van standaard tandprofielparameters, de geselecteerde module, en het aantal tanden. Hieronder staan twee tandwielafmetingstabellen ter referentie voor daadwerkelijke productie.

1.0 Mod Tandwielafmetingen Tabel

De letters „A” en „B” in Cat.No. duiden het tandwieltype aan, type A tandwiel met 1 mod heeft een breedte van 25mm, en de breedte van type B tandwiel met 1 mod is 15mm.

1.5 Mod Tandwielafmetingen Tabel

Het type A tandwiel met 1.5 mod heeft een breedte van 30mm, en de breedte van het type B tandwiel met 1.5 mod is 17mm.

Tandwiel vs Helisch Tandwiel: Wat zijn de verschillen?

Zowel tandwielen als helische tandwielen zijn veelvoorkomend in industriële toepassingen. Wat zijn de werkelijke verschillen tussen hen?

1. Tandontwerp
   Tandwielen hebben rechte tanden die parallel zijn aan de rotatie-as, dus de tanden grijpen allemaal tegelijk in langs een enkele lijn wanneer twee tandwielen ingriep. In tegenstelling, hebben helische tandwielen tanden die onder een hoek gesneden zijn, vormend een helivorm rond het tandwiel. Deze getande tandontwerp stelt de tanden in staat geleidelijk van het ene einde naar het andere in te grijpen.
2. Contactpatroon
   De manier waarop tanden contact maken verschilt significant tussen de twee tandwieltypes. Tandwielen hebben een lijncontact waar één paar tanden tegelijk ingriep, wat plotselinge impactkrachten en hogere spanning op de tanden veroorzaakt. Helische tandwielen behouden echter meerdere tanden in contact simultaan door hun getande tanden.
3. Axiale duwkracht
   Omdat tandwieltanden recht zijn en ingriep langs een enkel vlak, genereren ze geen axiale duwkracht (kracht langs de as van de as). Helische tandwielen produceren een axiale kracht als de tanden tegen elkaar glijden tijdens rotatie. Deze axiale duwkracht vereist extra ondersteuning op de as, zoals drijflagers, om ongewenste asbeweging te voorkomen en soepel operatie te garanderen.
4. Geluid en trilling
   Tandwielen neigen ertoe meer geluid en trilling te genereren. Helische tandwielen opereren veel stilzamer en soepeler. Dit maakt helische tandwielen voorkeur in toepassingen waar geluidsreductie belangrijk is, zoals autotransmissies.
5. Belastingdraagvermogen
   Helische tandwielen hebben doorgaans een hoger belastingdraagvermogen dan tandwielen. De getande tanden van helische tandwielen creëren meer contactoppervlak tussen ingriepende tandwielen, wat de belasting verdeelt over meerdere tanden. Dit leidt tot minder slijtage en langere tandwiellevensduur. Tandwielen dragen de belasting op minder tanden, wat tot hogere slijtage onder zware belasting kan leiden.
6. Snelheidsprestaties
   Helische tandwielen kunnen hoger koppel aan en behouden stilzamere operatie bij hogere rotatiesnelheden. Tandwielen, hoewel capabel van hoge efficiëntie bij matige snelheden, ervaren verhoogd geluid, trilling, en slijtage wanneer geopereerd bij hoge snelheden.
7. Fabricagecomplexiteit en kosten
   Tandwielen zijn simpeler in ontwerp en gemakkelijker te fabriceren. Dit betekent lagere productiekosten en eenvoudiger onderhoud. Helische tandwielen vereisen complexere fabricageprocessen met betrekking tot precieze hoeksnijden en driedimensionale beweging, wat hun kosten verhoogt.
8. Toepassingen en asoriëntatie
   Tandwielen worden primair gebruikt voor het overdragen van beweging tussen parallele assen in eenvoudigere, lagere-snelheidstoepassingen zoals klokken, wasmachines, en transporters. Helische tandwielen kunnen voor parallele assen gebruikt worden, maar staan ook overdracht tussen gekruiste of niet-parallele assen toe. Deze veelzijdigheid maakt helische tandwielen geschikt voor autotransmissies, luchtvaart, elektriciteitscentrales, en maritieme aandrijvingssystemen.
9. Contactverhouding
   De contactverhouding is een maat voor hoeveel tanden in contact zijn tijdens tandwielingriep. Tandwielen hebben typisch een contactverhouding tussen 1.2 en 1.6, wat betekent dat meestal slechts één tand volledig geëngageerd is op een gegeven moment. Helische tandwielen hebben een hogere contactverhouding, vaak boven de 2. Deze hogere contactverhouding draagt bij aan soepelere krachtoverdracht en minder trilling.
10. Efficiëntie
    Tandwielen bieden zeer hoge efficiëntie, met name in eenvoudigere, matige-snelheidstoepassingen waar het minimaliseren van wrijving en axiale krachten cruciaal is, vaak bereikend efficiënties van 98-99%. Helische tandwielen zijn lichtjes minder efficiënt door glijden en axiale duwkracht, typisch variërend van 95% tot 98%, maar hebben andere voordelen die hun kleine efficiëntieboete kunnen rechtvaardigen.