Getriebe

Getriebe mit vier Gliedern: Antriebsritzel u.re., Zwischenrad li. und Abtriebsrad o.re., sowie Gestell / Rahmen

Getriebe sind allgemein gesehen gelenkige Verbindungen von Teilen, die zum Übertragen und Umwandeln von Kräften, oder zum Führen von Teilen auf einer Bahn dienen. Es werden also nahezu sämtliche Mechanismen als Getriebe bezeichnet.

Umgangssprachlich nennt man jedoch oft nur mechanische Vorrichtungen zum Übertragen und Wandeln von Drehbewegungen, Drehrichtungen und Drehmomenten Getriebe. Der bekannteste Vertreter ist das Fahrzeuggetriebe. Für andere Bauarten wird meist der Begriff Mechanismus benutzt. Ein Mechanismus ist meist ein Zusammenspiel von Zahnrädern (in Anlehnung an VDI 2127): Getriebe dienen zur Übertragung und Umformung (Übersetzung) von Bewegungen, Energie und/oder Kräften.
Sie bestehen aus mindestens drei Gliedern, von denen eines das Gestell bildet.

Getriebe mit gleichmäßiger Übersetzung (für Drehbewegung)

Der Einsatz dieser Form von Getrieben erfolgt hauptsächlich

• zur Wandlung der Drehzahl
• zur Wandlung des Drehmoments

Das Getriebe wird meist zwischen dem Antriebsaggregat (Motor) und dem zu treibenden Maschinenteil mittels Kupplungen eingebunden. Man kann die Getriebe nach verschiedenen Kriterien unterteilen:

Nach Bauart

1. feste Getriebe - Drehzahlverhältnis und Drehmomentwandlung sind nicht veränderbar
2. Verstellgetriebe können in gestufte und stufenlose Getriebe unterteilt werden.
   1. Schaltgetriebe - Drehzahl und Drehmoment können abgestuft geschaltet werden. Die Funktion kann auch in einer Drehrichtungsumkehr in Form eines Rückwärtsganges liegen. (typ. Verwendung in Kraftfahrzeugen.)
   2. Automatisches Getriebe - siehe Fahrzeuggetriebe
   3. Leistungsteilungsgetriebe, beispielsweise Differentialgetriebe
   4. Wälzkörpergetriebe
   5. Zugmittelgetriebe (Kettengetriebe, Riemengetriebe, Schubgliederband, CVT)

Nach der Art der Kraftübertragung

Mechanische Getriebe

Formschlüssige Getriebe

1. Getriebe mit Zahnrädern
   1. Stirnradgetriebe: Eingangs- und Ausgangswelle sind parallel.
   2. Planetengetriebe: An- und Abtriebswelle sind koaxial. Um das Innenrad kreisen Planetenräder, die ihrerseits wieder in ein Außenrad eingreifen. Sonderfom der Stirnradgetriebe (zum Beispiel in der Nabenschaltung von Fahrrädern).
   3. Kegelradgetriebe: An- und Abtriebswelle sind nicht parallel (meist 90°) angeordnet. Die äußere Form der Zahnräder (Hüllkurve) entspricht Kegeln, deren Mittelachsen sich schneiden.
   4. Kegelringgetriebe: An- und Abtriebswelle sind in Form von Kegeln dargestellt, die über einen stufenlos verstellbaren Ring eine (nahezu) beliebige Übersetzung ermöglichen.
   5. Kronenradgetriebe: Verwendung und Bauform wie Kegelradgetriebe; allerdings ist das Ritzel als Stirnrad ausgeführt, und das Gegenrad hat die Form einer Krone mit der Verzahnung an der Radseite. Daher nennt man es Kronenrad.
   6. Schraubenradgetriebe: Wellen kreuzen sich. Die Wellenachsen sind windschief, haben also keinen Schnittpunkt.
   7. Ausgleichsgetriebe (auch Differentialgetriebe): Spezialgetriebe, das vor allem im Kraftfahrzeugbau eingesetzt wird.
   8. Schieberadgetriebe: Bei Schieberadgetrieben werden die verschiedenen Übersetzungsstufen durch axiales Verschieben eines Räderblocks auf einer Getriebewelle hergestellt.

      

      Modell eines Harmonic-Drive Getriebe

   9. Harmonic-Drive-Getriebe (auch Taumelradgetriebe): es fällt unter die sogenannten Umlaufgetriebe. Beim Harmonic-Drive-Getriebe wird das Antriebselement durch einen elliptischen Kurvenkörper permanent verformt. Das Untersetzungsverhältnis von HD-Getrieben ist systembedingt hoch. Es wird in sehr vielen Geräten und Maschinen eingesetzt, bei denen eine Drehzahl stark reduziert bzw. ein Moment stark erhöht werden muss. Durch den besonderen Aufbau und die einzigartige Wirkart der Getriebe weisen sie kein Spiel in der Verzahnung auf. Die Getriebe kommen unter anderem bei Robotern, Werkzeugmaschinen und in der Luft- und Raumfahrt zum Einsatz. Ursprünglich wurden die Getriebe in USA und dann in Japan hergestellt. Seit Mitte der 90er Jahre stellt das gleichnamige Unternehmen neben Getrieben auch komplette Antriebssysteme, die ein solches Getriebe beinhalten, in Deutschland her. Harmonic-Drive-Getriebe gelten am Markt als besonders zuverlässig. Das Harmonic Drive wird zum Beispiel in Zeiss-Mikroskopen eingesetzt, die damit eine Positioniergenauigkeit von 25 nm erreichen.
2. Schneckengetriebe
3. Kettengetriebe (siehe auch Antriebskette und Kettenarten)
4. Zahnriementrieb

Kraftschlüssige Getriebe

1. Riemengetriebe
2. Wälzkörpergetriebe (auch: Reibradgetriebe)
3. Rollringgetriebe
4. Cyclo-Drive-Getriebe

Hydraulische Getriebe

Bei hydraulischen Getrieben (siehe Strömungsgetriebe) sind An- und Abtriebsseite mechanisch miteinander verbunden (kraftschlüssiges Getriebe). Die Antriebsseite setzt eine Flüssigkeit im Inneren in Bewegung, die die Abtriebsseite antreibt. Es wird zwischen hydrostatischen und hydrodynamischen Getrieben unterschieden.

Pneumatische Getriebe

Pneumatische Getriebe sind nicht bekannt, jedoch werden Pneumatik-Motoren (linear oder drehend) häufig als Antrieb für Getriebe und Mechanismen verwendet.

Man könnte die Turbinenantriebe von Zahnarztbohrern als pneumatische Getriebe bezeichnen: ein niedrig drehender Kompressor komprimiert Luft, im Handstück des Zahnarztes hingegen setzt diese Luft eine hochdrehende winzige Turbinenwelle in Bewegung.

Elektrische Getriebe

Das einfachste elektrische Getriebe ist ein Generator, der mit der Drehzahl n angetrieben wird, und ein E-Motor, der von diesem gespeist mit der Drehzahl µ*n, µ ungleich 1, dreht. Ein derartiges elektrisches Getriebe stellte Anfang der 90er Jahre z.B. der serielle Hybridantrieb der FICHTEL&SACHS AG dar, bei welchem der Verbrennungsmotor einen Generator antrieb, dessen mit einem Frequenzumrichter geregelter Strom zwei an der Fahrzeugachse angeordnete E-Motoren (Tandem-Motoren) antrieb. Heute verfügt fast jeder Hybridantrieb über "elektrische Getriebe", teilweise mit Leistungsverzweigung über mechanische Systeme.

Elektronische Ausführung

Der Begriff elektrisches Getriebe wird zusätzlich im übertragenen Sinn für eine elektronische Schaltung, die ebenso zur Drehzahl- oder Drehmomentänderung führt, verwendet. Allerdings werden dabei bereits die Motoren selbst gesteuert. Verwendet wird dazu beispielsweise ein Frequenzumrichter. Es gibt jedoch auch fest verdrahtete Kombinationen von Synchrongenerator und Synchronmotor. Diese erreichen insbesondere bei hohen Untersetzungen bessere Wirkungsgrade als mehrstufige mechanische Getriebe.

Unterscheidung nach der Art des äußeren Energieumsatzes

Nach Art ihres äußeren Energieumsatzes kann man die folgenden beiden Arten elektrischer Getriebe kennzeichnen:

1. mechanisch - elektrisch - mechanisch: siehe oben, die Kombination elektrisch verbundener Generator - Elektromotor. Es wird also am Generator mechanische Energie aufgenommen, so elektrische Energie für den Motor erzeugt und wieder mechanische Energie am Motor abgegeben.
2. elektrisch - mechanisch - elektrisch: elektrische Energie wird an einem Elektromotor aufgenommen und in mechanische Energie an einen mechanisch direktgekuppelten Generator weitergegeben; der wiederum gibt elektrische Energie in gewandelter Form ab. Ein altes, heute nicht mehr genutztes Aggregat hierfür ist der Leonard-Satz zur Frequenzwandlung.

Nach Bauform

Offene Bauform

Offene Bauform bedeutet, dass die Elemente des Getriebes frei zugänglich sind. Häufig werden sie jedoch aus sicherheitstechnischen Gründen verkleidet. Beispiele: Riemengetriebe (früher auch Transmission genannt)

Geschlossene Gehäuse

Schnittmodell eines Autogetriebes

Bei geschlossenen Getrieben kommen kein Sand bzw. Staub in das Getriebe, was wichtig für einen geringen Verschleiß ist. Die Schmierung erfolgt über Fett oder einen geschlossenen Ölkreislauf. Das Gehäuse dient auch dem Lärmschutz und der Sicherheit. Beispiele: Kraftfahrzeuggetriebe, Differentialgetriebe

Getriebe mit einer ungleichmäßigen Übersetzung

Zur Berücksichtigung der Positionsabhängigkeit der Übersetzung von der jeweiligen Position des Antriebes benutzt man die Übertragungsfunktion. Diese zeichnet die Position des Abtriebes über der Position des Antriebes auf.

Kurvengetriebe

Kurvengetriebe mit Nutführung

Als Kurvengetriebe werden Mechanismen bezeichnet, bei denen die Form einer bewegten Kurve von einem Abtaster abgegriffen und an andere Getriebelemente (rotatorische oder translatorische) weitergeleitet wird. Die Abtastung erfolgt meist einseitig, das heißt, der Abtaster läuft auf der Kurve, an die er gedrückt wird, aber bei zu großen abhebenden Kräften kann er auch von der Kurve abheben. Um das zu vermeiden, wurden verschiedene Lösungen zur Zwangsführung der Abtaster entwickelt.

Kurvenkörper können ihre Kurve durch Rotation oder Längsverschiebung auf den Abtaster übertragen. Oft werden Kurvenkörper eingesetzt, die nur als Kreissegment ausgebildet sind und zum Zweck der Abtastung darum hin und her schwingen, entsprechend der Hin- und Herbewegung ebener Kurvenkörper.

Kurvengetriebe werden sehr häufig in der Automation eingesetzt, um Schalter zu bedienen, oder um komplizierte Bewegungsabläufe auszuführen. Am geläufigsten ist der Einsatz in Verbrennungsmotoren, wo Kurvengetriebe (Nockenwelle) das Öffnen und Schließen der Ventile steuern. Von dort ist auch das Problem des Abhebens des Abtasters bekannt (Ventilflattern).

Die Synthese von Kurvengetrieben geht meistens einher mit der Synthese von Koppelgetrieben, die üblicherweise die abgetasteten Bewegungen weiterleiten und umformen. Es gibt spezielle Kurvenformen zur Optimierung des Abtastverhaltens:

• Geschwindigkeitsoptimal
• Beschleunigungsoptimal
• Kraftoptimal
• Geräuschminimierend

u.a. Dazu werden im allgemeinen entsprechend geneigte Sinoiden verwendet.

Koppelgetriebe

Koppelgetriebe

siehe Hauptartikel: Koppelgetriebe

Kurbeltrieb

In die Gruppe der Koppelgetriebe gehört u.a. auch der Kurbeltrieb. Es setzt eine rotatorische (drehende) Bewegung in eine translatorische (geradlinige) Bewegung um oder umgekehrt. Anwendung findet er beispielsweise an Dampfmaschinen oder im Kolbenmotor. (siehe auch Kurbelwelle)

Schrittgetriebe

Schrittgetriebe setzen eine kontinuierliche Drehbewegung in eine intermittierende Drehwegung um. Zwischen den einzelnen Schritten erfolgt eine Pause, bis der nächste Schritt beginnt. Schrittgetriebe sind keine spezielle Getriebeart, die einen allgemeinen Aufbau besitzen. Schrittgetriebe können mit fast jeder Getriebeart realisiert werden.

Schrittgetriebe werden verwendet, um kontinuierliche Bewegungen in schrittweise Bewegungen mit momentaner oder zeitlicher Rast sowie auch mit Pilgerschritt (kurze Rückwärtsbewegung) umzuformen. Schrittgetriebe können u.a. durch Rädergetriebe, Räderkoppelgetriebe oder Koppelgetriebe, aber auch durch Kurvengetriebe und Getriebesonderbauformen realisiert werden.

Die bekannteste Bauform von Schrittantrieben ist das Malteserkreuzgetriebe, bei dem das bestimmende Getriebeteil (je nach Ausprägung) die Form eines |Malteserkreuzes annehmen kann. Sie wurden beispielsweise in Filmprojektoren und -kameras eingesetzt, um die schrittweise Bewegung des Filmmaterials auszuführen, sind darüber hinaus aber wenig verbreitet.

Ordnung nach Hauptbestandteilen

• Zahnradgetriebe
• Schraubengetriebe
• Reibradgetriebe
• Zugmittelgetriebe (Riemengetriebe und Kettengetriebe)
• Druckmittelgetriebe (Hydraulikgetriebe und Pneumatikgetriebe)
• Koppelgetriebe
• Keilschubgetriebe
• Kurvengetriebe

Begriffsdefinitionen

• Die Abtriebswelle führt die Leistung aus dem Getriebe heraus.
• Bei der Antriebsdrehzahl unterscheidet man zwischen der Drehzahl im Fall der belasteten und der unbelasteten Antriebswelle.
• Für die Abtriebsdrehzahl gilt das gleiche wie bei der Antriebsdrehzahl.
• Die Übersetzung i ist bei Getrieben das Verhältnis zwischen Antriebsdrehzahl und Abtriebsdrehzahl. Auch hier unterscheidet man zwischen belastetem und unbelastetem Getriebe.
• Die Nennleistung ist die auf der An- oder Abtriebswelle bezogene Leistung, auf die das Getriebe ausgelegt ist. Betriebsfaktoren werden dabei nicht berücksichtigt.
• Die Betriebsfaktoren K oder $C_{B}$ sind Werte, die zur Berücksichtigung von Stößen, Anfahrhäufigkeiten, Staub, Betriebsdauerintervallen, Temperatureinflüssen usw. dienen.
• Multipliziert man die Nennleistung mit den Betriebsfaktoren, so erhält man die Bemessungsleistung.
• Der Wirkungsgrad $\eta$ eines Getriebes ergibt sich aus dem Verhältnis der Abtriebsleistung zur Antriebsleistung.
• Der Stellbereich R oder $S_{V}$ ist das Verhältnis der maximalen zur minimalen Übersetzung.

Redewendung "Sand im Getriebe"

"Besser ohne Sand"

Auf Grund der Funktion eines Getriebes gibt es den umgangssprachlichen Ausdruck Sand im Getriebe, wenn etwas schleppend oder nur gestört funktioniert. Sand im Getriebe sorgt für erhöhten Verschleiß. Die Sandkörner können ein Getriebe auch blockieren oder unrunden Lauf verursachen. Ihren Ursprung mag die Redewendung im Rennsport sowie bei anderen Wettbewerben haben, wie sie beispielsweise bei Ausschreibungen erfolgen. Dabei soll es mitunter vorkommen, dass tatsächlich Sand nebst anderen Sabotagemaßnahmen in Getriebe und Motoren eingebracht wird, um damit den Konkurrenten Nachteile zu verschaffen.

Siehe auch

• Direktschaltgetriebe (DSG)
• Themenliste Fahrzeugtechnik
• Kreisschubgetriebe
• Flaschenzug
• Hebel
• EPG

Weblinks

• Dissertation als Beispiel für die enge Verwandtschaft von Kurven- und Koppelgetrieben.

• Eine (z.Z. vorwiegend deutschsprachige) Onlinebibliothek zum Thema Mechanismen und Getriebe ist unter Digitale Mechanismen- und Getriebebibliothek (DMG-Lib) zu finden.

• Unter KMODDL ist auch eine englischsprachige Onlinebibliothek (u.a. mit deutschen Schriften) zum Thema erreichbar