Das Schneckengetriebe gehört zu den ältesten und zugleich meistgenutzten Getriebebauformen der Antriebstechnik. Ob in der elektromechanischen Lenkung, im Aufzugsantrieb, im Scheibenwischermotor oder im Stellantrieb einer Produktionsanlage – überall dort, wo große Übersetzungen auf kleinstem Bauraum gefragt sind, spielt es seine Stärken aus. Doch wie funktioniert ein Schneckengetriebe genau, warum kann es sich selbst blockieren und worauf kommt es bei der Fertigung der Schneckenwelle an?
1. Wie funktioniert das Schneckengetriebe?
Ein Schneckengetriebe besteht aus zwei zentralen Bauteilen: der Schnecke und dem Schneckenrad. Die Schnecke ist eine Welle, um die sich ein oder mehrere Zähne schraubenförmig winden – vergleichbar mit einem Gewinde. Sie lässt sich als Sonderform eines schrägverzahnten Zahnrads mit sehr großem Schrägungswinkel verstehen. Das Schneckenrad ist das zugehörige Gegenrad, dessen Zähne exakt an die Schneckengeometrie angepasst sind. Charakteristisch für das Schneckengetriebe ist die Anordnung der beiden Achsen: Sie kreuzen sich, ohne sich zu schneiden, in der Regel unter einem Winkel von 90 Grad.
Dreht sich die Schnecke, schieben ihre Schraubengänge die Zähne des Schneckenrads kontinuierlich vor sich her – ähnlich wie eine Schraube, die sich durch eine Mutter arbeitet. Pro Umdrehung der Schnecke bewegt sich das Schneckenrad dabei nur um so viele Zähne weiter, wie die Schnecke Gänge besitzt. Daraus ergibt sich die Übersetzung des Schneckengetriebes: Sie entspricht der Zähnezahl des Schneckenrads geteilt durch die Gangzahl der Schnecke. Eine eingängige Schnecke, die ein Schneckenrad mit 60 Zähnen antreibt, erzeugt also eine Untersetzung von 60:1 in einer einzigen Getriebestufe. Übliche Auslegungen reichen von etwa 5:1 bis über 70:1, in Sonderfällen darüber hinaus.
Darstellung von Schnecke und Schneckenrad, die das Funktionsprinzip verdeutlicht: Die Schraubengänge der Schnecke schieben die Zähne des Schneckenrads vor sich her.
Eine Besonderheit unterscheidet das Schneckengetriebe von klassischen Zahnradgetrieben: Im Zahneingriff überwiegt der Gleitanteil deutlich gegenüber dem Wälzanteil. Die Flanken der Schnecke gleiten über die Zähne des Schneckenrads. Das erzeugt zwar Reibung, sorgt aber auch für den bemerkenswert leisen, vibrationsarmen Lauf, für den diese Getriebebauform bekannt ist. Um die Gleitreibung zu beherrschen, wird üblicherweise eine geschmierte Werkstoffpaarung aus gehärteter, geschliffener Stahlschnecke und einem Schneckenrad aus Bronze eingesetzt.
Bearbeitung einer Schnecke für einen Aufzugsantrieb. Die Selbsthemmung des Schneckengetriebes hält die Last auch im stromlosen Zustand sicher – ein zentrales Argument für den Einsatz in der Hebetechnik.
2. Welchen Zweck erfüllt die Technologie?
Der wichtigste Zweck des Schneckengetriebes ist die Realisierung sehr großer Übersetzungen ins Langsame bei minimalem Bauraum. Wo mehrstufige Stirnradgetriebe nötig wären, genügt hier eine einzige Stufe. Das spart Bauteile, Gewicht und Platz. Gleichzeitig lenkt das Schneckengetriebe den Kraftfluss um 90 Grad um, was in vielen Einbausituationen konstruktiv genau gewünscht ist, etwa wenn ein Elektromotor quer zur Abtriebsachse sitzt.
Eine zweite, oft sicherheitsrelevante Funktion ist die Selbsthemmung: Ist der Steigungswinkel der Schnecke kleiner als der Reibungswinkel der Werkstoffpaarung, kann das Getriebe nur von der Schnecke aus angetrieben werden. Ein Drehmoment am Schneckenrad reicht nicht aus, um die Schnecke in Bewegung zu setzen. Das Getriebe blockiert dann von selbst, ganz ohne zusätzliche Bremse. Diese Eigenschaft macht das Schneckengetriebe zur ersten Wahl in der Hebe- und Fördertechnik, in Bühnen- und Aufzugsanwendungen oder bei Stellantrieben, die ihre Position auch im stromlosen Zustand sicher halten müssen.
Typische Einsatzfelder sind entsprechend vielfältig: in der Automobilindustrie elektromechanische Servolenkungen im Pkw; in der industriellen Anwendung Aufzugs- und Hebetechnik, Verpackungs- und Fördertechnik sowie unzählige Stellantriebe im Maschinen- und Anlagenbau. Schneckengeriebe zeichnen sich durch Langlebigkeit aus, besonders, wenn die Drehzahlen nicht sehr hoch sind. Somit sind sie eine sehr gute Alternative zu Kegelradgetrieben.
Schleifbearbeitung einer Lenkschnecke. In elektromechanischen Servolenkungen untersetzt ein Schneckengetriebe die Drehzahl des Servomotors – ein Wachstumsmarkt mit steigenden Anforderungen an Laufruhe und Präzision.
3. Wer hat’s erfunden?
Das Wirkprinzip des Schneckengetriebes ist über 2.000 Jahre alt. Bereits Archimedes von Syrakus (287–212 v. Chr.) wird die Idee der „endlosen Schraube“ zugeschrieben, mit der sich schwere Lasten über eine Kurbel bewegen ließen – das Grundprinzip von Schnecke und Rad. Leonardo da Vinci entwickelte den Gedanken um 1500 weiter: In seinen Skizzenbüchern finden sich erstaunlich moderne Darstellungen von Schneckengetrieben, darunter bereits eine globoidische Schneckenform, die den Zahneingriff über mehrere Zähne verteilt.
Zur industriellen Reife gelangte das Schneckengetriebe schließlich im 19. Jahrhundert mit der aufkommenden Werkzeugmaschinentechnik: Erst präzise Fräs- und Schleifverfahren machten es möglich, Schneckenprofile so genau zu fertigen, dass hohe Leistungen zuverlässig übertragen werden konnten. Bis heute gilt: Die Leistungsfähigkeit eines Schneckengetriebes steht und fällt mit der Fertigungsqualität von Schnecke und Schneckenrad.
Schleifen einer Duplexschnecke, deren Zahndicke sich über die Länge kontinuierlich ändert. Durch axiales Verschieben lässt sich damit das Zahnspiel im Schneckengetriebe exakt ein- und nachstellen.
4. Welche Vor- und Nachteile hat das Schneckengetriebe?
Die zentralen Vorteile liegen auf der Hand: Das Schneckengetriebe erreicht sehr hohe Übersetzungen in nur einer Stufe und baut dadurch außergewöhnlich kompakt. Der gleitende Zahneingriff macht es zu einer der leisesten Getriebebauformen überhaupt. Ein Vorteil mit zunehmender Bedeutung in Zeiten, in denen Anlagen immer geräuscharmer werden müssen. Hinzu kommen die mögliche Selbsthemmung als integrierte Sicherheitsfunktion und Kostenpunkt, da Bremsen entfallen können, die gute Dämpfung von Stößen und Schwingungen im Antriebsstrang sowie die konstruktiv oft willkommene 90-Grad-Umlenkung.
Dem stehen physikalisch bedingte Nachteile gegenüber. Die Gleitreibung kostet Wirkungsgrad: Allerdings sind beim Wirkungsgrad Schneckengetriebe deutlich besser als ihr Ruf und in vielen Punkten den Kegelradgetrieben überlegen. Nur Stirnradgetriebe und Planetengetriebe sind, da sie keine Achsverschränkung besitzen, den Schneckengetrieben überlegen. Für Anwendungen mit Dauerbetrieb, hohen Leistungen und maximaler Energieeffizienz sind diese Getriebekonzepte häufig die bessere Wahl. Als kompaktes, robustes, langlebiges und leises Untersetzungsgetriebe bleibt das Schneckengetriebe jedoch konkurrenzlos wirtschaftlich.
Geschliffene Schneckenwelle für einen Getriebemotor auf der hochproduktiven zweispindligen GR 250 von EMAG. Die Zahnflanken werden auf wenige Mikrometer genau gefertigt – die Basis für leise, langlebige Schneckengetriebe.
5. Was bringt die Zukunft?
Das Schneckengetriebe ist ein Klassiker mit Wachstumsperspektive. Treiber ist vor allem die Elektrifizierung: In elektromechanischen Lenkungen, elektrischen Parkbremsen, Sitzverstellungen und unzähligen weiteren Aktuatoren moderner Fahrzeuge arbeitet jeweils ein kleines Schneckengetriebe. Die Stückzahlen steigen mit jedem neuen Fahrzeugmodell. Gleichzeitig wachsen die Anforderungen: Im leisen E-Fahrzeug rücken Geräusch- und Schwingungsverhalten (NVH) in den Fokus, was die Anforderungen an Profilgenauigkeit und Oberflächengüte der Schneckenwelle weiter erhöht. Auch Sonderbauformen gewinnen an Bedeutung, etwa die Duplexschnecke, deren Zahndicke sich über die Länge kontinuierlich ändert: Durch axiales Verschieben lässt sich damit das Zahnspiel im Getriebe exakt einstellen – ideal für spielarme Präzisionsantriebe.
Für die Fertigung bedeutet das: Die Schneckenwelle wird nach dem Drehen zunächst profilgefräst und die Schneckenräder wälzgefräst. Bei gehärteten Präzisionsschnecken folgt anschließend das Schleifen der Zahnflanken auf wenige Mikrometer genau. Die Maschinen von EMAG decken diese Prozesskette vollständig ab: Vom Schnecken- und Schneckenradfräsen über das Profilfräsen bis zum Schneckenschleifen aller genormten Zahnformen (ZA, ZI, ZK, ZN, ZC) sowie von Duplexschnecken und Sonderprofilen. Verschiedene Varianten stehen hierbei zur Verfügung: Auf der einen Seite hochflexible Horizontalmaschinen für Einzelteile, kleine und mittlere Serien zum Profilfräsen und -schleifen. Horizontale Maschinen sind hervorragend zu Rüsten und somit für viele unterschiedliche Werkstücke die erste Wahl. Auf der anderen Seite hat EMAG für große Serien vertikale Profil- und Wälzfräsmaschinen mit Ringlader im Portfolio, auf denen zusätzlich auch die Passfedernuten gefräst werden können. Hochproduktive Profilschleifmaschine mit Doppelspindel-Tisch für abrichtbare und CBN-Schleifscheiben runden das Leistungsspektrum ab. So entstehen Schneckengetriebe, die auch die Anforderungen von morgen erfüllen: leiser, präziser und langlebiger.
Die horizontale Profilschleifmaschine G 375 H schleift Schneckenwellen aller genormten Zahnformen sowie Duplex- und Sonderprofile – bei Rüstzeiten unter zehn Minuten.
