Tandwielen zijn een essentieel onderdeel van machines in bijna ontelbare industrieën en toepassingen. Tandwielen zijn cirkelvormige mechanismen die bestaan uit gelijkmatig verdeelde tanden die in elkaar grijpen met de tanden van andere tandwielen om rotatiekracht over te brengen. Twee of meer opeenvolgende tandwielen worden een tandwieltrein of transmissie genoemd.
Hoe werken tandwielen?
De belangrijkste functie van alle soorten tandwielen is het overbrengen van rotatiekracht door “in elkaar te grijpen” met een ander tandwiel. Dit in elkaar grijpen wordt bereikt door het in elkaar grijpen van de tanden van elk tandwiel, waardoor kracht kan worden overgebracht tussen tandwielen en veranderingen in snelheid, koppel en draairichting mogelijk zijn.
Hoewel tandwielen allemaal een vergelijkbare primaire functie hebben, is er een grote verscheidenheid aan tandwielsoorten die allemaal unieke ontwerpelementen en methoden hebben om krachten over te brengen. Deze tandwielsoorten zijn onder andere rechte tandwielen, schuine tandwielen en tandheugels.
Inzicht in de verschillen tussen de verschillende soorten tandwielen is daarom essentieel om de optimale tandwielen voor je toepassing te kiezen en de levensduur en algemene prestaties te maximaliseren.
Dit artikel is een alles-in-één gids voor de verschillende soorten tandwielen die verkrijgbaar zijn, de toepassingen waarvoor ze het meest geschikt zijn en de voordelen en beperkingen van elk type.
Rechte tandwielen
Rechte tandwielen hebben het eenvoudigste ontwerp van alle tandwielsoorten en bestaan uit gelijkmatig verdeelde rechte tanden rond het ronde tandwiellichaam. De tanden kunnen ook in het inwendige oppervlak van het tandwiel zijn uitgesneden - bekend als een inwendig tandwiel - maar deze worden later besproken. Dit maakt rechte tandwielen relatief goedkoop en eenvoudig te produceren, en daarom het meest gebruikte type tandwiel.
Rechte tandwielen zijn bijzonder efficiënt en genereren weinig wrijving dankzij het rechte ontwerp van de tanden. Ze kunnen in een configuratie met parallelle assen gekoppeld worden aan andere tandwielen met rechte tanden, namelijk planetaire tandwielen, interne tandwielen en andere rechte tandwielen.
Omdat rechte tandwielen alleen kracht kunnen overbrengen via parallelle assen, kunnen ze geen axiale belastingen overbrengen, maar alleen radiale belastingen.
Rechte tandwielen zijn ook niet geschikt voor hoge snelheden, omdat ze veel lawaai maken door de manier waarop de tanden in elkaar grijpen tijdens het gebruik.
Rechte tandwielen worden vaak gebruikt in toepassingen zoals fietsen, klokken, tandwielpompen en transmissies.
Schuine tandwielen
Hoewel ze lijken op rechte tandwielen, hebben schuine tandwielen het grote verschil dat ze hoekige tanden hebben in plaats van rechte tanden. Er kunnen zowel linkshandige als rechtshandige rechte tandwielen worden gemaakt, afhankelijk van de richting waarin de tanden staan.
Het schuine tandontwerp creëert een groter, geleidelijker contactgebied tussen de tandwielen. Dit helpt lawaai en trillingen tijdens snelle bewegingen te minimaliseren. De hoekige tanden zijn ook beter geschikt voor hoge belastingen.
Schuine tandwielen genereren axiale stuwkracht tijdens het gebruik, waardoor het gebruik van druklagers nodig is om deze kracht te verminderen, of een andere optie zoals een visgraat tandwiel of dubbele schuine vertanding.
Schuine tandwielen kunnen ook worden gebruikt in niet-parallelle assen, omdat het tandontwerp het mogelijk maakt om haaks op elkaar te schakelen. Om parallelle rechte tandwielen te laten samenwerken, moeten een linkshandig en een rechtshandig tandwiel aan elkaar gekoppeld worden, terwijl dezelfde rechtshandige rechte tandwielen loodrecht kunnen samenwerken.
Visgraat- & dubbel helicoïdale tandwielen
Visgraat tandwielen en dubbele helicoïdale tandwielen zijn bijna identiek, met één belangrijk verschil. Elk combineert een linkshandig en een rechtshandig schuin tandwiel met dezelfde draaihoek. Zowel visgraat- als dubbele helicoïdale tandwielen brengen beweging over tussen twee parallelle assen.
Het verschil tussen visgraat tandwielen en dubbele helicoïdale tandwielen zit in een groef in het midden van het tandwiel. Visgraat tandwielen hebben zo’n groef niet, waardoor de tanden van elk schuin tandwiel direct in het midden samenkomen en een V-vorm van de tanden vormen. Dubbele helicoïdale tandwielen daarentegen hebben deze groef in het midden die de tanden van elke kant gescheiden houdt.
Elk van deze tandwielsoorten is bijzonder moeilijk en duur om te maken, waardoor ze alleen gebruikt worden voor zware machines en andere industriële toepassingen.
De combinatie van twee tegengestelde schuine vertandingen heft echter de stuwkracht op die door elke vertanding wordt gegenereerd, waardoor visgraat- en dubbele helicoïdale vertandingen gebruikt kunnen worden in toepassingen waar enkele schuine vertandingen niet geschikt zouden zijn.
Enkele veelvoorkomende toepassingen van visgraat- en dubbele helicoïdale tandwielen zijn aandrijfsystemen, vliegtuigmotoren en scheepsvoortstuwingssystemen.
Schroeftandwielen
Schroeftandwielen (ook wel gekruiste helicoïdale tandwielen genoemd) zijn een bepaald type helicoïdale tandwielen die worden gebruikt voor niet-doorsnijdende, niet-parallelle assen. De tandwielen hebben elk een draaihoek van 45°.
Elk gekoppeld tandwiel moet aan dezelfde kant staan, in tegenstelling tot parallelle rechte tandwielen waarbij een linkshandig en een rechtshandig tandwiel aan elkaar gekoppeld moeten worden.
Het contact tussen de schroeftandwielen is een enkel punt, in tegenstelling tot standaard rechte tandwielen, waardoor hun belastbaarheid laag is – vergelijkbaar met die van rechte tandwielen. Schroeftandwielen zijn in plaats daarvan ontworpen voor gematigde snelheden en koppels.
Vermogensoverdracht in schroeftandwielen vindt plaats door het glijden van tandoppervlakken, waardoor smering een belangrijke overweging is bij het gebruik van schroeftandwielen – tenzij er zelfsmerend materiaal wordt gebruikt.
Schroeftandwielen zijn niet geschikt voor grote belastingen of hoge snelheden en worden daarom meestal gebruikt in toepassingen zoals pompen of transportbanden met relatief lichte belastingen en lage snelheden.
Tandheugels en -wielen
Tandheugels en tandwielen (ook wel rondsel genoemd) bestaan uit twee elementen: De tandheugel is een serie tanden op gelijke afstand in het oppervlak van een staaf. Het rondsel is een rond tandwiel dat langs de tandheugel loopt. De combinatie dient uiteindelijk om roterende beweging om te zetten in lineaire beweging, vergelijkbaar met een kogelomloopspindel, loodschroef of ander type lineaire actuator.
Tandheugels kunnen rechte of helicoïde tanden hebben. Helicoïde tandheugels zijn, net als rechte tandwielen, sterker en maken minder lawaai dan rechte systemen.
Er zijn twee belangrijke toepassingen voor tandheugels en tandwielen: die waarbij het rondsel op een vaste as staat en meedraait met de bewegende tandheugel, en die waarbij de tandheugel stilstaat en het rondsel erlangs beweegt. Een van de populairste tandheugeltoepassingen – stuurmechanismen – valt onder de eerste groep.
Kegeltandwielen
Kegeltandwielen worden gebruikt om kracht over te brengen tussen twee kruisende assen. Het steekvlak van een kegeltandwiel is kegelvormig, met tanden die langs de kegelvorm zijn gesneden.
Het eenvoudigste type kegelwieloverbrenging – rechte kegelwieloverbrenging – heeft rechte tanden. Deze worden meestal gebruikt in toepassingen met lage snelheden die geen grote krachten hoeven over te brengen.
Kegeltandwielen kunnen overal worden gebruikt, van drukpersen tot staalfabrieken, auto’s en een groot aantal andere industrieën en toepassingen.
Er bestaan veel verschillende varianten van kegeltandwielen, waaronder spiraal kegeltandwielen, zerol kegeltandwielen, spievertandwielen en hypoïde tandwielen. Ze werken allemaal op dezelfde manier en kunnen in veel van dezelfde toepassingen worden gebruikt, maar het is belangrijk om te begrijpen hoe elk type tandwiel verschilt van de andere.
Spiraalkegeltand- wielen
Spiraalkegeltandwielen brengen ook kracht over tussen twee kruisende assen. De tanden van spiraalkegeltandwielen zijn echter gebogen, waardoor ze er als een spiraal uitzien. Dit tandontwerp zorgt ervoor dat de tandwielen geleidelijk in elkaar grijpen, waardoor het geluid en de trillingen afnemen in vergelijking met rechte schuine tandwielen. Spiraalkegeltandwielen kunnen door dit tandontwerp ook hogere belastingen aan.
Spiraalkegeltandwielen brengen ook kracht over tussen twee kruisende assen. De tanden van spiraalkegeltandwielen zijn echter gebogen, waardoor ze er als een spiraal uitzien. Dit tandontwerp zorgt ervoor dat de tandwielen geleidelijk in elkaar grijpen, waardoor het geluid en de trillingen afnemen in vergelijking met rechte schuine tandwielen. Spiraalkegeltandwielen kunnen door dit tandontwerp ook hogere belastingen aan.
Het nadeel van de gebogen tanden van spiraalkegeltandwielen is de stuwkracht die wordt opgewekt. Hiervoor zijn druklagers nodig, waardoor de totale kosten van het systeem toenemen. Bovendien zijn spiraalkegeltandwielen moeilijker te produceren dan andere kegeltandwielen.
Hypoïde tandwielen
Hypoïde kegeltandwielen (ook wel gewoon hypoïde tandwielen genoemd) zijn een gespecialiseerd type spiraal kegeltandwielen, waarbij de twee assen van de assen elkaar niet snijden en niet parallel zijn.
De offset tussen deze assen is het belangrijkste verschil tussen hypoïde en kegeltandwielen; een hypoïde tandwiel met een offset van nul is hetzelfde als een kegeltandwiel.
Het kleinere tandwiel in een hypoïde tandwiel heeft een grotere spiraalhoek dan het grotere tandwiel.
Hierdoor kunnen indien nodig extreem hoge overbrengingsverhoudingen worden bereikt. Dit is vooral handig voor hoge snelheidsreductie met slechts één set hypoïde tandwielen.
Zerol kegeltandwielen
Zerol kegeltandwielen zijn een speciale vorm van kegeltandwielen ontwikkeld door The Gleason Works. Zerol kegeltandwielen zijn vergelijkbaar met spiraalkegeltandwielen, met uitzondering van een helixhoek van 0 graden, in tegenstelling tot de hoek van 35 graden die voornamelijk voor spiraalkegeltandwielen wordt gebruikt.
Zerol kegeltandwielen combineren de voordelen van rechte en spiraal kegeltandwielen, ze genereren geen grote stuwkracht en kunnen worden verwisseld met rechte kegeltandwielen zonder dat de behuizing of lagers hoeven te worden vervangen.
Ze gaan ook geleidelijk in elkaar over, dus ze zijn efficiënter en soepeler dan rechte kegeltandwielen – maar minder dan spiraalkegeltandwielen.
Verstektandwielen
Verstektandwielen zijn de meest uiteenlopende soorten kegeltandwielen, waarbij rechte, spiraalvormige of zerol tandontwerpen allemal mogelijk zijn. Wat een verstektandwiel uniek maakt is de tandverhouding; beide tandwielen in een verstektandwiel hebben hetzelfde aantal tanden.
Bij rechte en zerol verstektandwielen kunnen een paar van dezelfde twee tandwielen zonder problemen aan elkaar worden gekoppeld. Bij spiraalverstektandwielen moet je echter nog steeds een links- en een rechtshandig tandwiel aan elkaar koppelen.
Verstektandwielen bestaan alleen om de transmissierichting te veranderen, omdat ze de transmissiesnelheid niet kunnen veranderen door hetzelfde aantal tanden op elk tandwiel.
De ashoek van verstektandwielen kan variëren, maar een ashoek van 90 graden is het meest gebruikelijk.
Verstektandwielen die ontworpen zijn voor een andere hoek dan 90 graden worden hoekverstektandwielen genoemd.
Wormwielen
Wormwielen bestaan, net als tandheugels en tandwielen, uit twee delen: een as met een schroefvorm erin (de worm) en een tandwiel dat in de worm grijpt (het wormwiel). De kracht wordt overgebracht via twee niet-snijdende assen die in een rechte hoek ten opzichte van elkaar staan. Wormwielen maken meestal gebruik van een enkel contactpunt en een glijdende beweging, waardoor veel wrijving ontstaat en warmte wordt vastgehouden. Om slijtage als gevolg van de grote wrijving te minimaliseren, moet voor de worm een harder materiaal worden gebruikt dan voor het wormwiel.
Een groot probleem met de glijdende beweging van wormwielen is smering. Het is moeilijk om wormwielen goed te smeren en er zijn speciale smeermiddelen nodig die de smering nog meer kunnen bemoeilijken, hoewel een zelfsmerend kunststof wormwiel dit proces kan vereenvoudigen.
Wormwielen zijn ideaal in toepassingen waar lawaai geminimaliseerd moet worden of waar een compacte oplossing gewenst is.
Enkele van de meest voorkomende toepassingen van wormwieloverbrengingen zijn in snaarinstrumenten om te stemmen, transportsystemen en liften.
Interne tandwielen
Interne tandwielen zijn een type tandwielmechanisme dat wordt gekenmerkt door tanden die zijn uitgesneden in de binnenomtrek van een holle cilinder of kegel, in tegenstelling tot externe tandwielen, die tanden aan de buitenkant hebben. Interne tandwielen werken samen met externe tandwielen om rotatiebewegingen en koppels over te brengen.
Een belangrijk verschil tussen interne en externe tandwielen ligt in hun toepassingen en ontwerptechnieken. Interne tandwielen worden vaak gebruikt in scenario’s waar ruimtebeperkingen of specifieke technische vereisten een compacte tandwielopstelling nodig maken. Hun unieke configuratie zorgt voor een soepelere werking en kan een betere verdeling van de belasting bieden in vergelijking met externe tandwielen in bepaalde toepassingen.
Veel voorkomende toepassingen van interne tandwielen zijn onder andere planetaire tandwielsystemen, waar ze dienen als integrale onderdelen in reductiekasten, die zorgen voor snelheidsvariatie en efficiënt koppel overbrengen.
Ze zijn ook te vinden in diverse autotransmissies, vooral in automatische versnellingsbakken, waar hun compacte ontwerp een efficiënte krachtoverbrenging mogelijk maakt binnen een beperkte ruimte.
Interne tandwielen worden ook gebruikt in industriële machines zoals pompen, waar hun compacte ontwerp en precieze vertanding een betrouwbare werking in veeleisende omgevingen mogelijk maken.
Tandwielmaterialen
Hoewel het belangrijk is om het juiste type tandwiel voor je toepassing te kiezen, is het net zo belangrijk om het juiste materiaal te kiezen. Meestal worden metalen zoals staal, messing of aluminium gebruikt. Zelfsmerende kunststoffen zijn echter een haalbaar – en vaak superieur – alternatief voor de meeste toepassingen, vanwege hun aanzienlijk lagere productie- en onderhoudskosten, weerstand tegen corrosie en chemicaliën, en lichtgewicht samenstelling.
Zoals eerder vermeld, kan een goede smering vooral bij schroef- en wormwieloverbrengingen moeilijk te realiseren zijn. Zonder goede smering zullen deze tandwielen zeker te maken krijgen met aanzienlijke slijtage en een kortere levensduur. Zelfsmerende kunststoffen lossen dit probleem volledig op door tijdens het gebruik gelijkmatig smeermiddelen toe te dienen, zodat er een constante smeerlaag blijft bestaan voor optimale prestaties.
Een ander voordeel van het kiezen van kunststof tandwielen is de beschikbaarheid van aangepaste productiemethoden. Kunststof tandwielen op maat kunnen gespuitgiet, 3D-geprint en machinaal bewerkt worden, afhankelijk van de eisen van je toepassing. Bovendien zijn er materialen verkrijgbaar die voldoen aan de FDA-normen, bestand zijn tegen hoge temperaturen, elektrostatisch dissiperen en nog veel meer.
Tribologisch geoptimaliseerde kunststof tandwielen van igus®
Zoals eerder besproken zijn zelfsmerende kunststoffen een uitstekende optie voor de meeste tandwieltoepassingen en zijn ze verkrijgbaar met een breed scala aan extra eigenschappen. Als je op zoek bent naar een leverancier die tandwielen van deze kunststoffen produceert, kijk dan niet verder dan igus.
igus gebruikt drie belangrijke productiemethoden om kunststof tandwielen te produceren: spuitgieten, 3D-printen en CNC-verspaning. Tandwielen, kegeltandwielen en tandheugels worden allemaal geproduceerd via spuitgieten en zijn uit voorraad leverbaar. Voor elk van deze soorten tandwielen zijn verschillende overbrengingsverhoudingen, modules en lengtes beschikbaar.
Spuitgieten
3D printen
CNC frezen
De 3D-geprinte en gefreesde tandwielen van igus zijn op maat gemaakte oplossingen, waardoor het mogelijk wordt om andere soorten tandwielen te produceren dan de standaard drie spuitgegoten tandwielen. Deze tandwielen kunnen worden aangepast aan specifieke toepassingseisen, zoals gewicht, tandvorm, overbrengingsverhouding en meer. 3D-geprinte opties zijn onder andere SLS, FDM en DLP geprinte tandwielen.
Conclusie
De wereld van tandwielen is bedrieglijk ingewikkeld en het brede scala aan opties kan zelfs doorgewinterde ingenieurs en ontwerpers overweldigen. Hopelijk heeft dit artikel geholpen om deze opties te beperken en het selectieproces eenvoudiger te maken.
