Kugghjul (tandhjul): definition, konstruktion, material och användning

Kugghjul (tandhjul): komplett guide om definition, konstruktion, materialval och användning inom industri, fordon och maskinteknik.

Kugghjul är mekaniska delar med skurna tänder som är utformade för att passa ihop med tänder på en annan del för att överföra eller ta emot kraft och rörelse. Kugghjul kallas ibland även tandhjul, kugghjul eller kuggar. De skurna tänderna kallas också ibland kuggar. I praktiska konstruktioner används kugghjul för att ändra rotationshastighet, vridmoment, riktning eller axelavstånd mellan maskinens rörliga delar.

Konstruktion och tandprofil

De flesta moderna kugghjul använder en involut-tandprofil eftersom den ger jämn gång och oförändrat rullkontaktläge vid olika centrumavstånd. Viktiga begrepp att känna till:

• Modul (m) – anger storleken på tanden; modul = delningsdiameter / antal tänder (m = d / z).
• Tandantal (z) – antalet tänder på hjulet.
• Delningsdiameter (d) – diameter genom tändernas delningskrets (d = m · z).
• Tryckvinkel – vanligtvis 20° i moderna kuggsystem; påverkar lastfördelning och styrka.
• Tandhöjd – består av addendum (övre del) och dedendum (nedre del) med ett visst spel för att undvika inpassningsproblem.
• Centeravstånd (a) – avstånd mellan axlarnas centrum; för två kugghjul: a = 0,5 · (d1 + d2).

Typer av kugghjul

• Raka kugghjul (spur gears) – tänder parallella med axeln; enkelt utförande och effektivt vid lägre hastigheter.
• Snedkuggade (helical) kugghjul – tänder i vinkel; tystare och bättre lastfördelning men axellaster uppstår.
• Koniska kugghjul (bevel gears) – används för vinkelöverföring mellan axlar som skär varandra.
• Skruvgång (worm gears) – högt vridmoment och stor reduktion på liten plats; ger ofta självhållande egenskaper.
• Planetrar/system (planetary gears) – kompakta multipla steg för hög effekttäthet och exakt fördelning av krafter.

Material och värmebehandling

Materialval påverkar hållfasthet, slitstyrka, bearbetbarhet och kostnad. Många material används:

• Stål – vanligast tack vare hög hållfasthet/vikt-fördel; används i konstruktioner där hög belastning och livslängd krävs. Vanliga stållegeringar är kolstål (t ex C45), legerade stål (t ex 16MnCr5 för inokulering och härdbarhet) och verktygsstål för mycket krävande applikationer.
• Gjutjärn – bra vibrationsdämpning och god slitstyrka i måttliga belastningar; billigare alternativ för stora, tunga kuggar.
• Icke-järnlegeringar – t ex brons eller mässing; används där låg friktion och god korrosionsbeständighet krävs, ofta i kuggar som möter stål i låg till medelhög belastning (t ex i worm gear-par).
• Plast – används i låga laster, tysta eller lätta applikationer; god kemikaliebeständighet och låg kostnad vid massproduktion.
• Pulvermetallurgi (sinterade kugghjul) – kostnadseffektivt för stora volymer med god geometri och möjlig intern smörjning.

Värmebehandlingar som härdning, karburering, nitrering eller induktionshärdning används för att öka ytans slitstyrka och minska utmattningsrisk.

Tillverkning

Vanliga tillverkningsmetoder:

• Hobbning – vanlig metod för massproduktion av raka och snedkuggade hjul.
• Formfräsning/shaping – bra för interna kuggar och mindre serier.
• Brotschning – används för interna tänder i högre volymer.
• Gjutning och formsprutning – för gjutjärn eller plastkuggar.
• Sintering – pulvermetallurgiska kuggar för stora volymer med integrerade funktioner.
• Slipning – viktigt efter härdning för hög precision och bursfri tandyta.

Montering, smörjning och underhåll

• Rätt inpassning (backlash) är viktig för att undvika stötar och slitage.
• Val av smörjmedel (olja eller fett) påverkar friktion, temperatur och livslängd. Vid höga belastningar rekommenderas oljebad eller oljesmorda växellådor.
• Regelbunden inspektion: kontrollera slitage, pitting, spårbildning och korrekt smörjning.
• Kylning krävs i kraftiga, högvarviga eller kontinuerligt belastade system för att förhindra överhettning och oljedegeneration.

Beräkning och viktiga formler

• Växelförhållande: i = z2 / z1 = n1 / n2 (där z = antal tänder, n = varvtal).
• Delningsdiameter: d = m · z.
• Centeravstånd: a = 0,5 · (d1 + d2).

Dessa enkla samband används för grundläggande dimensionering. För detaljerade beräkningar och dimensionering av styrka, livslängd och kontaktspänningar används standarder och mer avancerade formler (t.ex. enligt ISO och AGMA).

Vanliga fel och orsaker

• Pitting (utmattningskorrosion) – orsakas av höga kontaktspänningar och otillräcklig smörjning.
• Spårslitage eller score – hård ytkontakt utan tillräckligt smörjskikt.
• Tandsprickor och brott – ofta följd av överlast, felaktig härdning eller materialdefekter.
• Felaktig inpassning (backlash) – för mycket spel ger slag; för lite spel ger överhettning och bindning.

Tillämpningar

Kugghjul används i nästan alla mekaniska system: växellådor i fordon, industriella växelsystem, klockor, robotar, pumpar, maskinverktyg och hushållsapparater. Val av typ, material och behandling styrs av krav på livslängd, ljudnivå, kostnad och verkningsgrad.

För specifika konstruktioner är det bra att följa relevanta standarder (ISO, AGMA) och konsultera en erfaren konstruktör för dimensionering och materialval vid höga krav på säkerhet eller lång livslängd.

Frågor och svar

F: Vad är kugghjul?

F: Vad finns det för andra namn på kugghjul?

F: Vad kallas ibland de skurna tänderna på kugghjul?

F: Vilka material används vid tillverkning av kugghjul?

F: Vilket är det vanligaste materialet vid tillverkning av kugghjul?

F: Varför används stål ofta vid tillverkning av kugghjul?

F: Vad är syftet med kugghjul?

Sök med bokstav