Stirnradstufe – Aufbau, Funktion und Anwendung in der Getriebetechnik

Die Stirnradstufe ist eine grundlegende Baugruppe in der mechanischen Antriebstechnik und Bestandteil vieler Getriebearten. Sie besteht aus einem Paar ineinandergreifender Stirnräder, die auf parallelen Wellen montiert sind. Durch ihre präzise Verzahnung ermöglicht die Stirnradstufe eine kontrollierte Übersetzung von Drehzahl und Drehmoment – entweder zur Erhöhung des Drehmoments bei verminderter Drehzahl oder umgekehrt. In diesem Artikel erfahren Sie alles Wissenswerte über den Aufbau, die Wirkungsweise, Vorteile und die industrielle Bedeutung von Stirnradstufen.

Was ist eine Stirnradstufe?

Eine Stirnradstufe ist die einfachste Form einer Getriebestufe. Sie besteht aus:

• treibendem Stirnrad: montiert auf der Antriebswelle
• getriebenem Stirnrad: montiert auf der Abtriebswelle

Beide Zahnräder sind parallel zueinander angeordnet und greifen frontal ineinander – daher der Begriff „Stirnrad“. Die Zähne der Stirnräder sind in der Regel gerade oder schrägverzahnt. Je nach Zähnezahl und Durchmesser ergibt sich das gewünschte Übersetzungsverhältnis.

Funktion einer Stirnradstufe

Die Hauptaufgabe einer Stirnradstufe besteht darin, eine Rotationsbewegung von einer Welle auf eine andere zu übertragen – mit veränderter Drehzahl und entsprechend angepasstem Drehmoment. Die Zahneingriffe erfolgen über den Teilkreis, wodurch eine gleichmäßige Kraftübertragung sichergestellt wird.

Übersetzungsverhältnis berechnen

Das Übersetzungsverhältnis
𝑖
i einer Stirnradstufe berechnet sich wie folgt:

\[ i = \frac{z_2}{z_1} \]
Dabei gilt:

𝑧
1
z
1
​
: Zähnezahl des antreibenden Stirnrads

𝑧
2
z
2
​
: Zähnezahl des getriebenen Stirnrads

𝑖
i: Übersetzungsverhältnis

Beispiel: Wenn ein Motor ein Stirnrad mit 20 Zähnen antreibt, das mit einem zweiten Stirnrad mit 60 Zähnen gekoppelt ist, beträgt die Untersetzung
𝑖
=
60
/
20
=
3
i=60/20=3. Die Abtriebsdrehzahl ist dann dreimal kleiner, das Drehmoment dreimal höher.

Aufbauarten und Varianten

Stirnradstufen lassen sich nach verschiedenen Kriterien unterscheiden:

1. Geradeverzahnte Stirnradstufen

Klassische, kostengünstige Variante. Zähne stehen senkrecht zur Drehachse. Einfach herzustellen, aber vergleichsweise laut und stoßanfällig.

2. Schrägverzahnte Stirnradstufen

Die Zähne verlaufen schräg zur Drehachse, wodurch der Zahneingriff länger dauert. Vorteile: Leiser Betrieb, höhere Tragfähigkeit, geringere Vibration.

3. Mehrstufige Stirnradgetriebe

Bestehen aus mehreren hintereinandergeschalteten Stirnradstufen zur Realisierung hoher Übersetzungen in kompakter Bauform.

4. Innenverzahnte Stirnradpaare

Die Verzahnung befindet sich auf der Innenseite eines Zahnkranzes. Anwendung z. B. in Planetengetrieben.

Vorteile der Stirnradstufe

• Hoher Wirkungsgrad: bis zu 98 % je Stufe
• Kompakte Bauweise: ideal für beengte Einbauräume
• Einfache Herstellung und Montage
• Robust und langlebig: bei richtiger Schmierung und Lagerung
• Flexibel kombinierbar: mehrere Stirnradstufen hintereinander möglich

Einsatzbereiche von Stirnradstufen

Stirnradstufen werden in nahezu allen Bereichen der Antriebstechnik eingesetzt:

• Industriemaschinen: Werkzeugmaschinen, Verpackungsanlagen, Fräsen
• Fördertechnik: Antriebseinheiten für Förderbänder, Hubwerke
• Automobiltechnik: Schaltgetriebe, Differenziale
• Robotertechnik: Achsantriebe mit präziser Steuerung
• Haushaltsgeräte: Waschmaschinen, Mixer, Rührwerke

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