Tandhjul er mekaniske dele med skårne tænder, der er udformet til at passe sammen med tænder på en anden del for at overføre eller modtage kraft og bevægelse. Tandhjul kaldes ofte også gear eller gearhjul. De enkelte skårne profiler på omkredsen kaldes tænder.

Der anvendes mange materialer til fremstilling af tandhjul, herunder ikke-jernlegeringer, støbejern, pulvermetallurgi og endda plast. Stål er dog det mest anvendte materiale på grund af dets høje styrke/vægt-forhold, gode slidstyrke og ofte gunstige omkostninger til ydeevne.

Hvordan fungerer et tandhjul?

Tandhjul overfører drejningsmoment og bevægelse ved at tænderne griber ind i hinanden. Når et tandhjul roterer, tvinger det det andet tandhjul til at rotere enten i samme eller modsat retning afhængigt af tandhjulstypen. Forholdet mellem rotationshastighederne bestemmes af tandantalene: et tandhjul med færre tænder roterer hurtigere end et med flere tænder ved samme linjehastighed.

Vigtige begreber

  • Modul (m) — et mål for tandstørrelsen; modul gange tandantal giver kuglediameteren (omtrentlig).
  • Tandantal (z) — antallet af tænder på hjulet.
  • Kugle- eller delingsdiameter (PD/PCD) — diameteren gennem tandhjulenes kontaktpunkter.
  • Trykvinkel — den vinkel, som påvirker kraftoverførslen og belastningsfordelingen mellem tænderne (typisk 20° eller 14,5°).
  • Spalte/Backlash — nødvendigt mellem tænder for at tillade fri bevægelse og kompensere for varmeudvidelse og fremstillingsfejl.

Typer af tandhjul

  • Rette tandhjul (spur gear) — tænderne er parallelle med aksen; enkel konstruktion, effektiv ved lav til moderat hastighed.
  • SkRÅ/Skrå tandhjul (helical gear) — tænderne er vinklede; glattere og mere støjsvag indgriben, kan overføre større belastninger.
  • Koniske tandhjul (bevel gear) — bruges til at ændre akselretningen, fx 90°.
  • Eksentertandhjul/tandstang og tandhjul (rack & pinion) — omdanner rotation til lineær bevægelse.
  • Snegl og sneglehjul (worm gear) — stor reduktion i kompakt rum, kan give indbygget låseeffekt.
  • Planetgear (epicyclic gear) — kompakt og høj effektgennemgang, anvendes i gearkasser og automatik.
  • Indvendige tandhjul — tænderne er på indersiden af en ring; bruges i nogle planetgear-systemer mm.

Materialer og fremstilling

Valget af materiale afhænger af belastning, slidkrav, omkostninger og arbejdsforhold. Typiske materialer og processer:

  • Stål — almindeligvis anvendt i både almindelige og legerede udførelser; kan varmebehandles (karburering, nitrering, induktionshærdning) for forbedret slidstyrke.
  • Støbejern — god dæmpningsevne og slidstyrke til visse gear; ofte anvendt i større, langsommere systemer.
  • Ikke-jernlegeringer og bronze — anvendes hvor lav friktion eller korrosionsbestandighed er vigtig, fx i snegl- og hjul-par.
  • Pulvermetallurgi — gør det muligt at forme komplekse geometrier og fremstille tandhjul tæt på færdigt mål med lavt spild.
  • Plast — bruges i lavbelastede, støjsvage eller korrosive miljøer; lette og billige i masseproduktion.

Efterbearbejdning som slibning af tandprofiler, finish og varmebehandling er ofte nødvendigt for at opnå lang levetid og stille drift.

Smøring og vedligehold

  • Smøring mindsker slid, reducerer friktion og hjælper med at aflede varme. Valget mellem olie og fedt afhænger af hastighed, belastning og konstruktion.
  • Ved store industrigearkasser anvendes ofte tandhjuls- eller gearolier med tilsætningsstoffer mod oxidation og slid.
  • Rengøring, inspektion for slid, kontrol af tilspænding og korrekt justering er vigtige vedligeholdelsesrutiner.

Almindelige fejl og årsager

  • Pitting (udmattelseskorrosion) — små kraterlignende skader i tandfladerne pga. gentagen kontaktspænding.
  • Skærering (scuffing) — opstår ved utilstrækkelig smøring eller for høje temperaturer, hvilket kan få materiale til at binde.
  • Brud på tænder — ved overlast eller pludselige stødbelastninger.
  • Slør (excessive backlash) — forårsaget af slid eller forkert montage og kan føre til støj og nedsat nøjagtighed.

Anvendelser

Tandhjul findes i næsten alle mekaniske systemer: gearkasser i biler, vindmøller, industrirobotter, præcisionsinstrumenter, urværker, transportanlæg og mange husholdningsapparater. Valget af tandhjuletype afhænger af krav til kraftoverførsel, hastighed, plads, støj og effektivitet.

Valg af tandhjul

Ved valg af tandhjul bør man overveje:

  • Påkrævet drejningsmoment og effekt
  • Hastighedsforhold og ønsket reduktion
  • Støj- og vibrationskrav
  • Pladsbegrænsninger og akselgeometri
  • Materiale, varmemodstand og smørebehov
  • Levetids- og vedligeholdelseskrav

Tip: Brug af standardiserede tandprofiler og moduler (fx efter ISO) forenkler fremstilling og udskiftning, og korrekt varmebehandling kombineret med tilstrækkelig smøring øger tandhjulenes levetid betydeligt.