Stabil : Patentzahnräder

Beschrieben werden hier die Teile :

Zahnstange für Patentzahnräder (Teil 20a)
Patentzahnrad 25mm Durchmesser (Teil 25c)
Patentzahnrad 50mm Durchmesser (Teil 25d)
Patentzahnrad 75mm Durchmesser (Teil 25e)
Patentzahnrad 100mm Durchmesser (Teil 25f)
Zahnrad aus Kunststoff 25mm Durchmesser (Teil 25c)
Zahnrad aus Kunststoff 50mm Durchmesser (Teil 25d)
Zahnrad aus Kunststoff 75mm Durchmesser (Teil 25e)
Zahnrad aus Kunststoff 100mm Durchmesser (Teil 25f)

Hinweise auf ähnliche Teile, die an anderer Stelle beschrieben werden :

Die Messingzahnräder (Teile 24-24b, 25-25b, 32, 32a, 20) bilden eine eigene Kategorie mit Kegelrädern, Stirnrädern, Kronenrad, Schnecke, Zahnstange.
Die Kettenräder (Teile 29, 29a), zusammen mit der Kette und Kettenöse, bilden auch eine eigene Kategorie.

Allgemeine Informationen zu den Patentzahnrädern

Die Stabil Patentzahnräder aus geformten vernickelten Blechen wurden 1926-1954 in den Kästen gefunden.
Ab 1939 wurden die ersten Zahnräder aus einem frühen duroplastischen Kunststoff hergestellt.
1939-1954 wurden den Kästen Zahnräder aus Blech oder aus dunkelbraunem bzw. schwarzem Kunststoff beigegeben, je nach dem, was gerade verfügbar war. Danach gab es nur noch die Zahnräder aus gelbem Kunststoff.
Die Zahnstange 20a für die Patentzahnräder wurde 1966 minimal geändert. Ein Grund dafür ist nicht bekannt.

In erster Linie waren die Patentzahnräder als Stirnzahnräder gedacht. Aber auch die Verwendung als Winkelräder wird in den Vorlagenheften empfohlen.

Die Patentzahnräder können auch zusammen mit den Kettenrädern (Zahnkranzring 29 und Zahnkranzscheibe 29a) benützt werden, wie an dem Modell der historischen Lokomotive Puffing Billy gezeigt wird. Man sollte die Zahnräder 25c-f aus Kunststoff nehmen - bei denen werden die Zähne nicht verbogen.
Die Zähnezahl der Kettenräder von 34 bzw. 17 ergibt ungewöhnliche Übersetzungsverhältnisse zusammen mit den Patentzahnrädern. Der Achsabstand bei der Kombination Kettenrad mit Patentzahnrad ist kein Vielfaches von 12.5mm.

Die Patentzahnräder aus geformtem Blech

Das Bild zeigt :

links außen das Zahnrad, 100mmØ, 56 Zähne (Teil 25f)
links innen das Zahnrad, 50mmØ, 28 Zähne (Teil 25d)
rechts außen das Zahnrad, 75mmØ, 42 Zähne (Teil 25e)
rechts innen das Zahnrad, 25mmØ, 14 Zähne (Teil 25c)

Am 30. Oktober 1926 meldete die Fa. Walther ein Patent für Zahngetriebe für Metallbauspiele an. Das Patent wurde im Oktober 1926 erteilt.
Die Zahnräder bestehen aus zwei geformten Blechen, die miteinander vernietet sind. Die folgenden Bilder zeigen das Herstellungsverfahren. Die Zahnräder wurden aus Blechen gestanzt, geformt und paarweise zusammengenietet.

Patentzahnräder aus Blech

Das kleine Patentzahnrad 25c hat zu den größeren Patentzahnrädern immer ein ganzzahliges Übersetzungsverhältnis. Die Zähnezahl ist bei allen Rädern immer ein Vielfaches von 14. Modul=1.785=25mm/14Zähne.
Weiterhin haben sie solche Durchmesser, dass zwei beliebige Zahnräder nebeneinander durch ein einziges Paar Flacheisen verbunden werden können. Besondere Lagerplatten für Zahnräder, wie sie bei anderen Systemen vorkommen, sind bei den Patentzahnrädern überflüssig.
Es ist allerdings offensichtlich, dass mit diesen Zahnrädern keine größeren Kräfte übertragen werden können. Die Zähne sind leicht zu verbiegen.

Zahnräder aus geformtem Blech
Teil	Zähne	Anzahl Nieten	Abstand Nietloch- Zentrum	Dicke Zahn- rad	Ø Mittel- loch	Ø Kopf- kreis	Ø Fuß- kreis
25c	14	3	6.2	7.7	4.05	29.0	20.3
25d	28	4	17.5	8.4	15.8	53.9	45.4
25e	42	6	30.0	8.8	37.5	78.9	70.7
25f	56	8	37.5	8.7	62.3	103.8	94.9

Die Tabelle rechts zeigt die Maße der Patentzahnräder aus geformtem Blech. Der Kopfkreis-Durchmesser wird an den Spitzen zweier gegenüberliegender Zähne gemessen. Der Fußkreis-Durchmesser ergibt sich, wenn man zwischen zwei Zähnen den Durchmesser ermittelt.
Zahnhöhe = (Kopfkreis-Durchmesser - Fußkreis-Durchmesser) / 2
Kopfkreisradius des einen Zahnrades plus Fußkreisradius des anderen Zahnrades sollte minimal kleiner sein als der Achsabstand des Getriebes.
Die angegebenen Maße sind Mittelwerte. Die Messtoleranzen bei Kopf- und Fußkreis sind +-0.2mm. Die Zähne sind ja nur Blechstreifen, die leicht gebogen werden können. Die Zahnfüße sind am Blech nie eben herausgestanzt.
Die Maße der einzelnen Zahnräder weichen über die Jahre der Fertigung nicht merklich voneinander ab. Offensichtlich wurden sie alle auf den gleichen Maschinen hergestellt.

Teil 25c hat nur drei Nieten. Es kann deshalb nicht mit der Federnden Mitnehmerhülse (Teil 70) benützt werden. Damit ist es nicht mit Glatten Wellen benützbar - man muss es an Gewindestiften festschrauben. Wenn man das Zahnrad unbedingt auf Glatten Wellen befestigen muss, so kann man auf Märklin 10914 oder Meccano 27f ausweichen. Diese Teile sind kompatibel.
Die drei Nieten (3mm Ø) sind so klein, dass kein Gewindestift durchgesteckt werden kann.

Teil 25d hat ein zentrales Loch von knapp 16mm Durchmesser. Eine Dünne Gerollte Welle (Teil 61) und auch der zugehörige Flanschring (Teil 66) passen gut hindurch. Zwei gegenüberliegende Löcher (Ø 4.25mm) des Ringes können mit einem 3-Loch-Flacheisen oder mit einem Mitnehmer (Teil 7b) überbrückt werden. So kann das Rad auch an Gewindestiften oder an Glatten Wellen befestigt werden.
Durch die vier Nietlöcher (Ø 4.1mm) kann ein Gewindestift lose gesteckt werden. Eine Schraube kann darin nicht fest gemacht werden, weil der Platz für den Schraubenkopf und für die Mutter fehlt.

Teil 25e hat ein zentrales Loch von 37.5mm. Die Dicken Gerollten Wellen (Teile 62, 62a) haben dort reichlich Platz. Zwei gegenüberliegende Löcher (Ø 4.25mm) des Ringes können mit einem 5-Loch-Flacheisen überbrückt werden.
Durch die sechs Nietlöcher (Ø 4.1mm) kann ein Gewindestift lose gesteckt werden, aber eine Schraube kann darin nicht fest gemacht werden. Die Muttern finden keinen Platz.

Teil 25f hat ein zentrales Loch von 62.3mm. Zwei gegenüberliegende Löcher (Ø 4.2mm) des Ringes können mit einem 7-Loch-Flacheisen überbrückt werden.
Auch die Nietlöcher (Ø 4.2mm) können bei diesem Zahnrad zum Befestigen von Teilen benützt werden.

Etwa 1941-1943 wurden die Blech-Patentzahnräder, bedingt durch den Krieg, verzinkt. Obwohl bereits 1939 die Zahnräder auch aus Kunststoff hergestellt wurden, findet man die Blech-Patentzahnräder noch bis 1954 in einzelnen Kästen.

Die Zahnräder aus Kunststoff

Das Bild zeigt :

links außen das Zahnrad, 100mmØ, 56 Zähne (Teil 25f) aus Kunststoff
links innen das Zahnrad, 50mmØ, 28 Zähne (Teil 25d) aus Kunststoff
rechts außen das Zahnrad, 75mmØ, 42 Zähne (Teil 25e) aus Kunststoff
rechts innen das Zahnrad, 25mmØ, 14 Zähne (Teil 25c) aus Kunststoff

Ab 1939 wurden die ersten Zahnräder aus einem frühen duroplastischen Kunststoff, hergestellt. Duroplaste lassen sich nach der Herstellung durch Erwärmen nicht mehr in eine andere Form bringen. Sie sind fest und brechen bei zu starker Belastung. (Steckdosenverkleidungen sind z.B. aus Duroplast.)
Dennoch können mit den neuen Zahnrädern weit höhere Kräfte übertragen werden als mit den aus Blech geformten Zahnrädern.

Die Zahnräder werden in den Vorlagenheften ab 1938 - bei den Abbildungen der Teile - nicht mehr als Patentzahnräder bezeichnet, sondern nur noch schlicht als "Zahnräder 25c-25f". In den Inhaltsverzeichnissen der Kästen hat man diese Umbenennung vergessen. Auch 1966 noch hießen dort die Teile 25c-25f "Patentzahnräder".
Auffällig ist, dass bei diesen Kunststoff-Zahnrädern sämtliche Nietlöcher fehlen. Als Folge davon hat das große Zahnrad 25f jetzt nur noch 8 Löcher im Ring.

Die ersten Zahnräder aus Kunststoff von 1939 waren dunkelbraun (25c, 25d). Ab etwa 1941 sind auch schwarze Zahnräder produziert worden, teilweise mit verschieden farbigen Schlieren oder Einschlüssen im Material, wobei die roten Einschlüsse am ehesten auffallen. Es gibt auch dunkelbraune Zahnräder mit helleren Einschlüssen.
Es kann kein festes Datum angegeben werden, wann der Übergang von Metallzahnrädern zu Kunststoffzahnrädern erfolgte. Auch eine zeitliche Zuordnung der Räder mit bestimmten Farben ist nicht möglich. Man muss eher davon ausgehen, dass braune und schwarze Zahnräder, aber auch Zahnräder aus geformtem Blech, parallel nebeneinander in die Kästen gegeben wurden.
So wurden die Zahnräder aus Blech noch in Kästen bis zum Jahr 1954 gefunden (25c, 25d, 25e). Man kann auch annehmen, dass da Material aufgebraucht wurde, welches in ländlichen Lagern den Krieg überdauert hat.
In den späten 30er und frühen 50er Jahren waren jedenfalls schwarze und braune Kunststoff-Zahnräder üblich - neben vereinzelten aus Blech.
Das große Zahnrad 25f in Blech wurde letzt-datiert 1941 in einem 53a gefunden. Aus schwarzem Kunststoff wurde es in einem 53a von 1951 gefunden. Es ist aber auch in dunkelbraun bekannt.

Ab etwa 1953 setzten sich dann die Zahnräder aus dunklem gelben Kunststoff durch. Das Bild oben zeigt die Zahnräder in dieser dunkelgelben Farbe.

Farben der Zahnräder

Das Bild links gibt einen Eindruck von der Farbenvielfalt.
Oben rechts sehen wir ein Rad aus schwarzem Kunststoff aus den frühen 50er Jahren.
Rechts darunter befindet sich ein dunkelbraunes Exemplar von etwa 1939.
Dann folgen im Uhrzeigersinn drei dunkelgelbe Zahnräder der 50er und 60er Jahre. Es werden einige der gefundenen Farbabweichungen beim dunklen Gelb gezeigt. Es ist einmal dunkler, einmal etwas rötlich, einmal aufgehellt. Die Zahnräder können auch nachdunkeln. Denn das Rad unten links lässt nämlich einen hellen Schatten eines 3-Loch Flacheisens erkennen, das dort lange Zeit aufgeschraubt war. Deshalb ist es nicht sicher, dass die gefundenen Farbabweichungen so auch produziert wurden.
Als Abschluss sehen wir oben links ein hellgelbes Zahnrad aus der Zeit ab 1966.
Die Mitte ziert ein ursprüngliches Patentzahnrad aus geformtem Blech.

Ab etwa 1966 wurden die Zahnräder 25c, 25d und 25e in einem hellen Gelb gefertigt. Diese Zahnräder machten von der Farbe her einen guten Eindruck. Die Qualität wurde aber nicht besser.
Das große Zahnrad 25f wurde allerdings noch nicht in hellem Gelb gefunden, es wurde wahrscheinlich nie in dieser Farbe gefertigt.

In den Vorlagenheften wurde die Existenz der Zahnräder aus Kunststoff erst im Jahr 1956 nachgetragen. Leider wurde 1956 beim Zeichnen ein Fehler gemacht, der in den Heften ab 1957 korrigiert ist. Erst jetzt wurden die Kunststoff-Zahnräder korrekt abgebildet.
Mit der Überarbeitung des Vorlagenheftes 49-52 aus dem Jahr 1956 wurden die Zahnräder auch in den Modellen durchgängig richtig dargestellt. Davor, in den Jahren 1937 bis 1955, wurde lediglich in einer der Einführungsseiten erwähnt, dass mehrere Teile aus neuen Werkstoffen (z.B. Kunstharz) gefertigt wären, die in ihrer Qualität den ursprünglichen Teilen in nichts nachständen.

Zahnräder aus Kunststoff
Teil	Zähne	Dicke Zahn- rad	Ø Mittel- loch	Ø Kopf- kreis	Ø Fuß- kreis
25c	14	7.6-7.9	4.15-4.3	27.7-28.9	19.8-20.1
25d	28	7.4-8.0	15.5-15.8	53.3-53.5	44.4-44.9
25e	42	8.7-8.9	37.4-37.6	78.2-78.3	70.4-71.0
25f	56	8.6-9.0	62.0-62.3	103.0-103.5	95.0-95.6

Die Tabelle rechts zeigt die Maße einiger Zahnräder aus Kunststoff. Die Kunststoffzahnräder sind durchgängig etwas kleiner im Außendurchmesser als die Zahnräder aus geformtem Blech.
Für die Tabelle wurden mehrere Teile aus verschiedenen Jahren und verschiedenen Färbungen vermessen. Dabei wurde festgestellt, dass es in allen Jahren - unabhängig von der Färbung - eine ähnliche Vielfalt von Abweichungen gibt. Deshalb wurde hier nur eine Tabelle für alle Exemplare einer Teilenummer erstellt. In der Tabelle wurden gemessene Mindest- und Größt-Werte angegeben. Es durchaus möglich, dass Teile mit noch größeren Abweichungen existieren.
Die Abweichungen der Durchmesser liegen teilweise zwischen 0.5-1mm. Aus diesen Gründen kann es vorkommen, dass einzelne Kombinationen schwergängig sind (z.B. bei manchen 25c/25d um 1957), oder dass die Teile ein recht großes Spiel haben (wegen zu hohem Abstand zwischen Kopfkreis des einen und Fußkreis des anderen Zahnrades, aber auch wegen dem Spiel der Achsen (Ø 3.9mm) in den Lagern (Ø 4.2mm)).
Die Befestigungslöcher in den Zahnrädern 25d-f haben in den meisten Fällen einen Durchmesser von 4.25mm. Aufgefallen sind jedoch Löcher von bis zu 4.6mm Ø bei wenigen Zahnrädern 25e. Bei diesen Exemplaren ist es dann schon eine Herausforderung, wenn man das Rad ohne Exzentrizität auf der Achse befestigen will.
So manches vermeintliche Klemmen hat seine Ursache in einer derartigen Exzentrizität.

Leider war auch noch die Fertigungsqualität der Zahnräder nicht gerade vorbildlich. An den Kanten und an den Zähnen gibt es Grate, die man vor dem Bauen mit einer Feile entfernen sollte. Sie sind eine häufige Ursache fürs Klemmen.
Manche Befestigungslöcher müssen erst durchstoßen werden, weil am Boden des Loches noch eine dünne Kunststoff-Schicht liegt. Anscheinend hatten die Gussformen keine besonders hohe Passgenauigkeit.
Dennoch sind die Zahnräder aus Kunststoff recht solide und können ausreichend Kraft übertragen. Die Zähne können, im Gegensatz zu den Zahnrädern aus Blech, nicht mehr verbogen werden.

Jürgen Kahlfeldt hat größere Zahnräder und einen Innen-Zahn-Ring für Planetengetriebe gefertigt.

Die Zahnstange für Patent-Zahnräder (Teil 20a)

Dieses Teil ist in keiner einzigen Abbildung der Teile in Vorlagenheften oder in irgendeiner Reklame jemals korrekt dargestellt worden.

Die Zahnstange für Patentzahnräder (Teil 20a) wurde zusammen mit den Patentzahnrädern 1926 eingeführt. Sie ist 11 Loch lang und hat 24 Zähne, wie oben im Foto gezeigt. Sie ist bisher nur vernickelt gefunden worden.
Ab 1938 hieß das Teil dann "Zahnstange für Zahnräder 25c-25f".

Da das Verhältnis Zähneanzahl:Lochanzahl nicht ganzzahlig ist, können die Zahnstangen nicht beliebig überlappt werden. Man kann diese Zahnstange jedoch verlängern, wie es auf dem Foto mit einem 4-Loch Flacheisen gezeigt wird.
Es können sogar umlaufende unendliche Zahnstangen damit konstruiert werden, wie es mit einem kleinen Zahnrad 25c prinzipiell gezeigt wird.

Jahr	Länge	Zähne- bereich	Breite außen	Breite innen	Loch Zahn	Mat.- Dicke	Boh- rung
1928	137.1	134.0	20.4	16.3	12.05	0.6	4.25
1938	137.1	134.0	20.5	16.4	12.15	0.6	4.25
1956	137.1	134.8	20.4	16.4	12.1	0.55	4.3
1966	137.1	134.8	20.4	16.5	13.25	0.5	4.28

Die Tabelle rechts zeigt die Maße einiger Teile aus verschiedenen Jahren.
Die Spalte "Zähne-bereich" gibt an, wie viel der Länge durch Zähne belegt ist.
"Breite außen" nennt den Abstand zwischen Zahnspitze und gegenüber liegender Seite.
Bei "Breite innen" wurde zwischen Zahntal und gegenüber liegender Seite gemessen.
Die Spalte "Loch Zahn" gibt den Abstand zwischen der Linie der Lochmittelpunkte und der Linie der halben Zahnhöhen an. Der Wert wurde errechnet.

Aus den Messungen wurde gemittelt :
Zahnbreite oben	= Talbreite	= 1.9mm
Zahnbreite unten	= Zahnabstand oben	= 3.78mm
Teilung : 5.68mm (bei Rad 25c : 25mm / 14Zähne * PI = 5.61mm)

Die Löcher der Zahnstange sind nicht besonders genau auf einer Linie positioniert. Abweichungen bis 0.3mm findet man an jedem Teil. Die Ursache liegt sicherlich in der Stanze, mit der das Teil hergestellt wurde.

Wenn man die Zahnstange verlängern will, so kann man mehrere Teile miteinander verbinden. Bei den frühen Teilen entsteht dabei ein zu breites Zahntal zwischen den Zahnstangen - dort wo die Enden der beiden Zahnstangen aneinander gefügt sind (siehe Bild oben). Mit den Teilen ab etwa 1950 wurde das verbessert, aber nicht ganz behoben. Das Zahntal ist immer noch etwas zu breit.
Weiterhin sind die Teile ab jetzt genauer ausgestanzt.

Mit den Teilen von etwa 1966 wurde der Abstand der Zähne zu den Löchern merklich vergrößert. Im unteren Teil des Fotos sehen Sie rechts ein solches neues Teil. Auch der verringerte Abstand des ersten Zahnes zum Anfang des Teiles ist deutlich zu erkennen.
Die Lochreihe und die Zahnreihe sind bei den Teilen ab 1966 mittig über die Länge des Teils. Vorher, besonders auffällig in den 50er Jahren, gab es Teile bei denen die Lochreihe und auch die Zahnreihe nicht mittig waren, vielleicht war das so beabsichtigt.
Wenn die Zahnreihe in den 30er Jahren nicht mittig war, so ist dagegen die damalige Fertigungsqualität die Ursache.
Die Abweichung der Position der Löcher, aber auch die Abweichung der Position der Zähne von der mittigen Sollposition längsweise, kann bei einigen Teilen bis zu 0.5mm betragen.