Zahnschiene

Eine Zahnstange mit einer Triebstockverzahnung an einem Wehr

Die Zahnstange war ursprünglich eine technische, vertikal montierte Vorrichtung, meist aus Metall, um Gegenstände in verschiedenen Höhen an Zähne hängen zu können. So wurde z. B. in Gießereien wie auch in der Küche die Temperatur in Töpfen über offenen Feuerstellen durch Höhenänderungen an der Zahnstange reguliert.

Durch die fortschreitende Industrialisierung wurde die Bedeutung des Begriffs erweitert, da sich die Zahnstange als Maschinenelement in verschiedenen bis heute existierenden Anwendungen etabliert hat.

Geometrie der Zahnstange

Geometrien von Zahnstangen

Evolventenverzahnung

Konchoidenverzahnung

Zykloidenverzahnung

Die Geometrie der Zahnstange entspricht im Wesentlichen der abgewickelten Geometrie eines Zahnrades mit Evolventen-, Zykloiden- oder Konchoidenverzahnung und entsprechender Kopfkürzung. Der Abstand der Zähne wird mit Hilfe der Teilung angegeben. Zur Berechnung von Zahnstange und passendem Zahnrad wird entsprechend wie beim Zahnradgetriebe der Modul verwendet.

Anwendungen

Zahnstangenantrieb

Funktionsprinzip des Zahnstangenantriebs

Umwandlung von Rotation in Translation

Animierter Zahnstangenantrieb

Beim Zahnstangenantrieb ist die Zahnstange das Maschinenelement mit einer Reihe von Erhebungen, den Zähnen, in das ein Zahnrad greift. Die Kombination von Zahnrad und Zahnstange dient dazu, eine Drehbewegung in eine lineare Bewegung umzuwandeln oder umgekehrt. So erfolgt z. B. das Kippen einer Bessemerbirne mit Hilfe eines Zahnstangenantriebes. Der Hub (z. B. Vorschub oder Verfahrweg) eines Zahnstangenantriebs berechnet sich nach dem mittleren Umfang des Zahnkranzes des antreibenden Zahnrades und dessen Drehzahl zu $H_Z=Pi\times d\times n$.

Eine weitere Möglichkeit, Drehung in linearen Vortrieb umzuwandeln, stellt der Schneckenantrieb dar. Beim Zahnradantrieb steht die Drehachse des Zahnrades orthogonal zur Verschieberichtung der Zahnstange, beim Schneckenantrieb hingegen ist die Drehachse der Schnecke parallel dazu. Vorteile dieser Antriebsart sind die Möglichkeiten einer besonders kompakten Bauform oder auch die Selbsthemmung bei Krafteinwirkung auf die Zahnstange.

Zahnschiene

Verschiedene Zahnschienentypen

Die wohl bekannteste Anwendung findet dieses System jedoch bei Zahnradbahnen, wo die Zahnstange als Zahnschiene ausgeführt im Schienenbett zwischen oder neben den führenden und tragenden Schienen angebracht wird. Bei Zahnradbahnen unterscheidet man verschiedene technische Schienen-Treibrad-Systeme wie z. B.:

Zahnstangensysteme von Zahnradbahnen

2 versetzte Zahnstangen	Doppelverzahnung	Beidseitige Verzahnung	Zahnstange auf Bahnschwellen
Leiterzahnstange	Zahnkopfstange

Schubladenantrieb

Weniger bekannt, aber wohl viel weiter verbreitet ist die Verwendung des Zahnstangenantriebs als Schubladenantrieb von CD-Spielern, DVD-Playern, CD- und DVD-Laufwerken und weiteren technischen und elektronischen Geräten.

Zahnstangenlenkung

Ein weiteres großes Anwendungsfeld ist der Einsatz von Zahnstangen in Lenkungen. Diese sogenannten Zahnstangenlenkungen kommen insbesondere im PKW zu Einsatz. Dabei wird noch unterschieden, zwischen Zahnstangen mit konstanter und variabler Übersetzung. Die variable Übersetzung wird durch eine Veränderung der Verzahnungsgeometrie über den Zahnstangenhub realisiert.

Zahnstangenwinde

Eine weitere Anwendung der Zahnstange ist die Zahnstangenwinde.